電容式感應(yīng)照明控制用戶界面

        智能照明控制技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于消費(fèi)領(lǐng)域。餐廳、酒吧、辦公室、電影院、家庭、飛機(jī)、汽車(chē)等，這些只是成熟照明控制方案中的一小部分例子，其增強(qiáng)了整體氛圍和用戶體驗(yàn)。粗大的照明控制面板和數(shù)以百計(jì)按鈕的日子一去不復(fù)返了。今天的照明系統(tǒng)更智能，可以對(duì)光強(qiáng)度、色調(diào)和飽和度進(jìn)行控制，只需一個(gè)觸摸按鈕即可。

        圖1顯示了一個(gè)基本照明控制技術(shù)應(yīng)用的框圖。它有一個(gè)用戶界面，其可以選擇預(yù)設(shè)的照明選項(xiàng)，或直接控制燈具。一些系統(tǒng)還有環(huán)境光感應(yīng)器，其可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境自動(dòng)控制室內(nèi)燈光。根據(jù)用戶/環(huán)境傳感器的輸入，控制器將控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)LED /燈具特性的光控制器。

        本文將重點(diǎn)介紹高效照明控制用戶界面設(shè)計(jì)。市場(chǎng)上有很多照明控制系統(tǒng)，用戶界面通常是決定系統(tǒng)和產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。

        我們的想法是要提高用戶控制，設(shè)計(jì)不再需要大量的選擇按鍵和面積占用，可以用更獨(dú)特更智能的電容式觸摸感應(yīng)按鈕或滑條控制。使用電容式感應(yīng)界面不僅可以提供吸引眼球的面板設(shè)計(jì)，而且使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性，沒(méi)有抖動(dòng)，性價(jià)比高。此外，電容式傳感器的可編程檢測(cè)距離能力在接口方面引入了一個(gè)全新的維度。這篇文章的關(guān)鍵議題包括，電容式傳感技術(shù)，用戶界面，徑向滑條，LED背光和接近感應(yīng)。

電容式感應(yīng)

        PCB上的每一條銅線都有一定的相關(guān)寄生電容。利用該屬性，電容式傳感器可以由PCB上的銅泊實(shí)現(xiàn)。傳感器上面有一層絕緣覆蓋物，可以保護(hù)每個(gè)傳感器不受ESD和和用戶電氣影響。當(dāng)用戶觸摸傳感器上的覆蓋物時(shí)，該傳感器的電容會(huì)發(fā)生變化。這是由于手指引入的電容與傳感器的電容并聯(lián)在一起。該技術(shù)用于測(cè)量或檢測(cè)電容傳感器的變化，稱(chēng)為電容式感應(yīng)。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的檢測(cè)傳感器電容變化的實(shí)現(xiàn)方式。

 

該電路主要使用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)等效成一個(gè)電阻。等效電阻的值是:

       方程1

        根據(jù)方程1，傳感器電容增加。等效電阻減少。電阻值的變化使電流Isensor也發(fā)生變化。該電流變大，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)然后進(jìn)一步處理?？焖貯DC（通常是SAR ADC）可用于將電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。通過(guò)在固件中跟蹤數(shù)字化數(shù)據(jù)和相關(guān)電壓信號(hào)，我們可以探測(cè)到手指電容帶來(lái)的電容變化。

        圖2顯示了SOC實(shí)現(xiàn)的電容式傳感器。雖然基于SOC的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)時(shí)仍需要考慮很多因素，包括:

 1. 寬電容范圍 —— 這可以使用高分辨率ADC和精確TIA達(dá)到。然而，使用高精度模擬元件，就會(huì)增加系統(tǒng)成本。

2. 環(huán)境噪聲—— 由于手指引入的電容變化是很小的（通常是，< 0.5 pf ），甚至環(huán)境里很的噪聲都可以引入寄生電容，有可能導(dǎo)致誤檢測(cè)。

3. 環(huán)境的改變——電容是濕度和溫度的函數(shù)。因此，電路和固件應(yīng)當(dāng)在終端應(yīng)用中設(shè)計(jì)成可以處理它們影響的方式。

        圖3所示為一個(gè)使用賽普拉斯PSoC CY8C21x34 電容式感應(yīng)Sigma Delta(CSD)方法實(shí)現(xiàn)的高性能電容傳感器。由于控制器的設(shè)計(jì)是基于SoC的，它可以根據(jù)具體應(yīng)用要求進(jìn)行配置。內(nèi)置的CSD模塊也可以用于實(shí)現(xiàn)接近傳感或集合傳感器。

        該實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于圖2所示的框圖。這種實(shí)現(xiàn)增加了模塊和部件，有助于解決上面列出的那些問(wèn)題。

        在這種技術(shù)中，調(diào)制電容CMOD將通過(guò)等效電阻充電。當(dāng)集成的電容電壓達(dá)到參考電壓(VREF)時(shí)，比較器輸出轉(zhuǎn)換為高，連接RB(放電電阻)到地。這就形成了CMOD放電回路。當(dāng)電容式電壓低于VREF，比較器輸出回到低，斷開(kāi)RB 開(kāi)關(guān)。這一行為不斷重復(fù)，比較器輸出形成了脈沖流，其使能計(jì)數(shù)器。

        傳感器電容變化將改變CMOD充電電流。由于CMOD 變化的充電速率(REQ*CMOD )和固定的放電速率(RB*CMOD )，比較器輸出的脈沖流占空比將會(huì)改變。這一脈沖流占空比的變化可以通過(guò)讀出計(jì)數(shù)器來(lái)檢測(cè)到。

用戶界面

         一個(gè)用于房間照明控制應(yīng)用的典型用戶界面，可以提供可選擇的預(yù)定義照明亮度選項(xiàng)。先進(jìn)的用戶界面可以使用戶控制個(gè)性化的顏色組成及光亮強(qiáng)度。圖4顯示了這樣的用戶界面。

 

        圖4顯示的界面有四個(gè)電容式按鈕，它們用來(lái)選擇燈光的特定組合?？梢允褂脧较蚧瑮l來(lái)增加或減少選擇的屬性，如光亮強(qiáng)度(如果觸摸強(qiáng)度按鈕)或飽和度(如果觸摸任何的基本顏色按鈕)。除了徑向滑動(dòng)這一功能，徑向傳感器還可通過(guò)預(yù)定義的照明級(jí)別用于導(dǎo)航瀏覽?？梢酝ㄟ^(guò)滑條固件編寫(xiě)將滑條中央當(dāng)作一個(gè)特別的按鈕。這個(gè)“額外”按鈕可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)“菜單”或“選擇”按鈕。除了電容式傳感器，照明控制界面還有一個(gè)LCD，它用來(lái)顯示光強(qiáng)度，色彩飽和度，或照明選項(xiàng)。
LED用來(lái)照亮用戶界面上激活的傳感器。這些通常稱(chēng)為“背光LED”。 PCB上有一些小孔，使用這種方式，無(wú)論用戶觸摸傳感器或滑條，LED都會(huì)從底層照亮相應(yīng)的傳感器或滑條，從而反饋給用戶該傳感器被激活了。

徑向滑動(dòng)-向里和向外

        PCB上的徑向滑條設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。它可以視為一組種電容式傳感器，排成一個(gè)圓形。除了形狀，線性滑條和圓形滑條的唯一區(qū)別是，線性滑條有固定的起點(diǎn)和終點(diǎn)，而圓形滑條沒(méi)有，因?yàn)樗菆A形的。從應(yīng)用程序的角度來(lái)看，手指從線性滑條最左端滑向最右端，分辨率將會(huì)從0%提高到100%。使用圓形滑條，應(yīng)用程序還需考慮要達(dá)到100%的分辨率要完成多少圈。

        為了確定手指在滑條的確切位置，需要一個(gè)單獨(dú)立方法(例如:質(zhì)心計(jì)算法)來(lái)檢測(cè)。這是因?yàn)楫?dāng)手指放置在滑條上時(shí)，它觸摸到了多個(gè)傳感器。根據(jù)手指覆蓋的傳感器區(qū)域，通過(guò)計(jì)算質(zhì)心傳感器可以計(jì)算手指的確切位置，其具有最高響應(yīng)。質(zhì)心計(jì)算法還很好的綜合了相鄰傳感器的響應(yīng)，因?yàn)樗麄円脖皇种赣|摸到了。舉例來(lái)說(shuō)，如果1傳感器有最大響應(yīng)，那么用于質(zhì)心計(jì)算的傳感器有0、1和2傳感器；同樣地，如果傳感器0有最大響應(yīng)，那么只會(huì)考慮0和1傳感器。對(duì)于徑向滑條，相鄰的傳感器不僅僅是一個(gè)傳感器向上一個(gè)傳感器向下。下面的算法為如何識(shí)別鄰近的傳感器。

背光LED

        背光LED用于增加界面在黑暗環(huán)境下的可見(jiàn)度。他們可以是單色LED或三色LED（其可以結(jié)合環(huán)境光給出精確的顏色）。對(duì)于三色LED（取決于當(dāng)前的要求），可以使用buck/boost配置形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)控制顏色和強(qiáng)度。

接近傳感集合和背光

        接近感應(yīng)天線不再使用單獨(dú)的線跡，滑條的所有段都可以連接起來(lái)，形成一個(gè)大感應(yīng)塊或天線，其可以實(shí)現(xiàn)接近傳感功能。這種使用一組傳感器實(shí)現(xiàn)接近傳感的方法稱(chēng)為接近傳感集合。接近傳感集合和背光可以為設(shè)計(jì)增加特色。總之，這些特色可以使當(dāng)手接近設(shè)備時(shí)點(diǎn)亮背光燈，從而使用戶在黑暗中也能找到相應(yīng)位置。接近傳感集合技術(shù)實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)將徑向滑條的所有段連接到模擬Mux來(lái)簡(jiǎn)化。使用數(shù)?；旌闲盘?hào)器件，例如CY8C21x34、內(nèi)部模擬Mux總線可以用于連接外部傳感器接口不同引腳到內(nèi)部CSD模塊?？梢栽诠碳B接或斷開(kāi)傳感器和模擬Mux 總線:

         當(dāng)傳感器集合天線檢測(cè)到某個(gè)物體(如人手)接近時(shí)，固件點(diǎn)亮背光LED，用戶就可以看清控制界面。當(dāng)LED切換到開(kāi)的狀態(tài)，徑向滑條塊可以換回到其正常功能，將傳感器從模擬Mux總線斷開(kāi)。如果目標(biāo)物體/或手已經(jīng)離開(kāi)一定時(shí)間了，Timeout功能可以關(guān)掉LED。

        對(duì)接近傳感器集合可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，可以改變天線的強(qiáng)度。這確定了接近傳感器能成功檢測(cè)到目標(biāo)靠近用戶接口板并把背光LED打開(kāi)的距離。

        本文介紹了使用電容式感應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)照明控制用戶界面的典型方式。開(kāi)發(fā)人員可以進(jìn)一步提升自己的設(shè)計(jì)，可以提供一系列顏色，使用戶能夠自己選擇一種顏色進(jìn)行照明控制。照明控制用戶界面和控制單元使用無(wú)線通訊是另一種不同于照明控制的方式。