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(shù)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(zhuǎn)盤相連的活動部件，這些部件隨著時間的推移更易失效。基于傳感器的控制面 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(shù)相結(jié)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(gòu)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(shù)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(shù)）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(shù)相結(jié)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(shù)，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(guān)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(shù)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(guān)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換時間，消除附近引腳上高電流開關(guān)轉(zhuǎn)換所帶來的干擾?？傊?，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(quán)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(guān)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(shù) — 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。基于穩(wěn)健的光電二極管技術(shù)，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