使用電容和紅外線接近感應開發(fā)新一代人機界面

簡介

預計2010年具有先進人機界面的電子產(chǎn)品出貨量將超過十億。這些人機界面利用電容和紅外線接近感應等技術使終端用戶體驗顯著改善，同時增加了 系統(tǒng)可靠性、降低了總體成本。除了使產(chǎn)品更易使用、更具視覺吸引力之外，這些人機界面屏蔽掉了電子產(chǎn)品日益增長的復雜性，使得制造商能夠把具有先進功能的 產(chǎn)品更快推向市場。

先進傳感器人機界面比傳統(tǒng)的機械式界面更可靠，因為它們沒有與按鍵和轉盤相連的活動部件，這些部件隨著時間的推移更易失效?；趥鞲衅鞯目刂泼?板和顯示器也變得更加靈活，允許單套控制組件根據(jù)應用程序環(huán)境重新配置，以便客戶在現(xiàn)有功能的基礎上實現(xiàn)自己的應用。手勢識別和“非接觸”技術相結合后， 開發(fā)人員可以使設備界面變得更加智能，預測用戶所需、創(chuàng)新使用模式，從而使產(chǎn)品更加友好、直觀易用。固件可以根據(jù)市場需求快速方便的靈活調(diào)整，從而無需完 全重新構建系統(tǒng)或重新設計設備外觀。

新一代人機界面

新產(chǎn)品呼喚新人機界面的產(chǎn)生，從而使自己在市場中脫穎而出。通過使電子設備更了解其運行環(huán)境，新功能增強了易用性、提高功效和降低系統(tǒng)成本。此外，其高靈敏度、低噪音，耐潮濕的特性，即使在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中也能確保其可靠性。

驅(qū)動新一代人機界面開發(fā)的兩種主流技術是電容和接近感應。電容感應器通過感應器件的電容值變化判斷使用者的手指的存在。它可實現(xiàn)高級控件，如滑 動條和滾輪，并且能更好的識別用戶過去常采用的物理反饋式近距離界面操作，如按下按鈕。接近感應使用紅外線傳感器（利用紅外線反射技術）測量與物體間的距 離，最遠可達1米。接近傳感器也可以辨認空中物體，進行“非接觸式”手勢跟蹤。

以上兩種技術相結合能夠?qū)τ脩艚缑孢M行更好的調(diào)控。許多最終用戶已經(jīng)從一些消費類產(chǎn)品使用中熟悉了電容感應技術，最有代表性的是iPod和iPhone。到目前為止，接近感應通常被用來進行簡單的任務，如手機上的面頰檢測。然而，其應用領域遠非局限于此：

用戶檢測：例如，接近感應可以檢測到最終用戶當前是否在電腦前，并能夠在用戶離開時關閉顯示器?？紤]到LCD背光非常耗電，因此即使是簡單的用戶檢測也能 為整個企業(yè)節(jié)省大量能耗。用戶檢測也可以用于USB充電器/驅(qū)動器等設備，以便設備可以做好被突然拔出的準備。

無指紋顯示：許多便攜式設備需要用戶觸摸屏幕上的按鈕，遺留的印跡即不利于識別，也很難清除。具有非接觸式界面的便攜式多媒體播放器使用戶在觀看視頻時無 需觸摸屏幕。類似的應用包括：使用戶無需觸摸屏幕即可輕松實現(xiàn)電子書翻頁；允許醫(yī)生在手術中直接與觸摸屏系統(tǒng)交互，而無需觸摸電子屏幕。

自動背光控制：接近感應信號通道一部分利用環(huán)境光傳感器（ALS）消除外部光源帶來的噪聲。同樣的傳感器也能夠用于監(jiān)視背景照明條件，自動調(diào)整顯示器背光以減少能量消耗。

隱形入侵檢測：可反射射向系統(tǒng)內(nèi)門表面的紅外光，開發(fā)人員可以實施“隱形”入侵檢測機制，避免具有相同功能的機械開關的不可靠性和損耗。

健康和安全考慮：多媒體信息站(kiosk)、檢驗臺和其他公共計算機存在通過鍵盤和屏幕傳播疾病的風險。例如，在中國的一些地區(qū)，法律規(guī)定電梯控制面板 每小時消毒一次，以防止SARS的蔓延。非接觸式面板避免和減輕了這些公共健康所帶來的問題。

移除界面控制

嵌入式設計中的一個趨勢是從主應用處理器中去除用戶界面管理，將其分配給專用的8位微控制器（MCU）。對于應用處理器來說，觸摸是一個相對較慢的動作，使用整個系統(tǒng)去檢測用戶是否移動手指比使用專用8位MCU實現(xiàn)相同功能所消耗的能量要多得多。

電容式觸摸感應MCU，如Silicon Labs的F99x系列產(chǎn)品非常適合用于管理新一代用戶界面。通過為任務提供高達25 MHz的運行性能以及最優(yōu)化的外設，F(xiàn)99x MCU提供智能和精確感應所需的處理和輸入能力。與Si11xx接近感應系列產(chǎn)品相結合，開發(fā)者可在單一開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)高效人機界面。

F99x MCU的電容感應性能通過硬件實現(xiàn)的電容數(shù)字轉換器（CDC）得到進一步增強。Silicon Labs的CDC包含兩路電流輸入（數(shù)字模擬轉換器或DAC）。第一路為可變DAC，用于測量到外部感應電容的電流；第二路是恒定電流源，用于內(nèi)部參考電 容（見圖1）。電容測量使用逐次逼近方式（SAR），該高效處理過程消除了直流（DC）偏移帶來的影響，且無需外部組件。

圖1：硬件實現(xiàn)的CDC提供高性能、16位精度、高可靠性和DC偏移抑制—無需外部組件

F99x MCU的16位CDC具有高可靠性和準確性。通過執(zhí)行兩階段外部電容放電，CDC能夠消除放電過程中傳入的環(huán)境噪聲。相比之下，其他方法需要額外的外部元件（例如串聯(lián)電阻等）和一個以上I/O/每通道（因而增加了MCU尺寸和布線難度）。

CDC的動態(tài)范圍通過使用可調(diào)增益得到進一步提升。同時，動態(tài)范圍也通過以下方式得到增強：減少源電流以改變充電時間；當源電流和串聯(lián)阻抗都很 高時（例如當使用觸摸面板或ESD保護電容按盤時）更直接反映電容傳感器電壓。更高靈敏度為開發(fā)人員提供更大的信號冗余度，允許他們使用較厚的塑料、更小 的電極，即使在嘈雜環(huán)境中仍能確保操作可靠性。 CDC也可使用引腳監(jiān)視功能動態(tài)調(diào)整轉換時間，消除附近引腳上高電流開關轉換所帶來的干擾。總之，CDC具有極好的信噪比（SNR），在典型的電容感應實 現(xiàn)中SNR為50-100。

無與倫比的系統(tǒng)響應性

接近傳感采用了紅外線感應器和一個或更多的紅外發(fā)光二極管（LED）。其基本工作原理是通過照亮物體，然后測量反射光的強度。所需LED的數(shù)量 取決于應用以及是否需要三維信息。例如，紙巾分配傳感器，只需要一個LED來檢測是否有人站在分配器前。為了檢測左/右或上/下的手勢，需要兩個LED。 為了支持三維導航，需要三個LED。在每一種情況下，只需一個物理傳感器。然而，每個附加的傳感器增加了識別來自每個LED信號強度的所需處理，并且可利 用三角定位方法判斷被檢測對象的位置。

處理也需要過濾接收信號中的噪聲（即背景光）。處理器或嵌入式控制器越強大，所能獲得的采樣值就越多，過濾效果也就越好。增加采樣率提高了系統(tǒng)的分辨率，同時更好的過濾也提高了準確性?？焖俨蓸雍透呔冗^濾需要一個穩(wěn)健的接口，開發(fā)人員必須權衡每一種方法來優(yōu)化其應用。

通常情況下，與低靈敏度光電二極管相關的是擴展采集時間，允許光源（例如熒光燈）閃爍降低精度。Silicon Labs高靈敏度的光電二極管技術 — 10余年來已在行業(yè)得到驗證 — 具有良好的抗電磁干擾（EMI）和抗閃爍特性，且能可靠檢測高達50厘米遠的物體，而無需使用外部鏡頭或過濾器?；诜€(wěn)健的光電二極管技術，Si11xx 傳感器系列產(chǎn)品可以選擇集成環(huán)境光傳感器。

接近感應子系統(tǒng)的功耗主要是紅外線發(fā)光二極管（LED）。Silicon Labs的QuickSense™開發(fā)環(huán)境可協(xié)助開發(fā)者定義配置參數(shù)，優(yōu)化精度、檢測范圍和功耗。例如，高級控制能力允許開發(fā)人員為特定應用和檢測范圍動 態(tài)調(diào)整LED電流。對于超低功耗操作，開發(fā)者能夠使用創(chuàng)新的單脈沖接近感應最小化LED打開時間，可以使功耗效率最大提高4000倍，如圖2所示。

圖2：QuickSense MCU具有創(chuàng)新的單脈沖接近傳感，最小化LED打開時間，

功耗效率最大提高4000倍

降低系統(tǒng)功耗