集成電容傳感和藍(lán)牙低功耗

　　在多個(gè)從設(shè)備需要與一個(gè)主設(shè)備進(jìn)行對話的無線通信應(yīng)用中，藍(lán)牙低功耗(BLE)協(xié)議已毫無疑問成為它們的理想選擇。與其它通信協(xié)議相比，BLE具備以下優(yōu)勢：

　　1. BLE擁有極高的行業(yè)普及率，具備多廠商互操作性。據(jù)藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟預(yù)測，到2018年，90%的智能手機(jī)將支持BLE。此外，BLE 在 PC、智能電視等其它主機(jī)設(shè)備中也擁有很高的普及率。

　　2. 公布的通信距離長達(dá)100m。

　　3. 超低的峰值、平均和空閑功耗讓大多數(shù)使用紐扣電池的BLE從設(shè)備能夠運(yùn)行數(shù)年。

　　4. 數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mbps。

　　這些優(yōu)勢讓BLE成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備、無線PC外設(shè)和遙控器等設(shè)備的最佳選擇。事實(shí)上，BLE的誕生激發(fā)了全球各地的創(chuàng)新者打造更多前所未有的應(yīng)用。

　　簡而言之，大多數(shù)BLE從設(shè)備能夠有效捕獲某種輸入，然后使用BLE將信息發(fā)送至客戶端(即PC或智能手機(jī))。因此，BlE從設(shè)備的主要功能包括 ：

　　1. 捕獲輸入

　　2. 處理輸入

　　3. 使用BlE協(xié)議將處理后的輸入通過無線方式發(fā)送至客戶端。

　　按照捕獲輸入這項(xiàng)功能倆看，BLE設(shè)備可以劃分為兩個(gè)類型。

　　類型1：使用傳感器捕獲輸入的設(shè)備(即傳感器輸入設(shè)備，SID)。

　　類型2：捕獲人類用戶的輸入的設(shè)備(即人工輸入設(shè)備，HID)。

　　以一個(gè)心率監(jiān)測儀為例。該設(shè)備使用 傳感器捕獲人的心率。設(shè)備處理信息后，會(huì)將其發(fā)送至客戶端(PC或手機(jī))，其中用戶只需戴上該設(shè)備，不需要手動(dòng)輸入任何信息。

　　再以一個(gè)使用BLE與PC進(jìn)行無線通信的無線鼠標(biāo)為例，其中輸入由用戶手動(dòng)提供(采用點(diǎn)擊和滾動(dòng)的形式)

　　那么，這里面臨的問題就是：這種區(qū)別是如何影響設(shè)備設(shè)計(jì)的呢?

　　人工輸入BLE設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)

　　為了捕獲人類用戶的輸入，我們可以使用按鍵、滑塊和/或滾輪。這種輸入既可以是機(jī)械輸入，也可以采用電容傳感技術(shù)。如果是前者，我們可以使用傳感器檢測用戶與機(jī)械組件的交互，或?qū)C(jī)械組件直接連接到控制器。輸入被捕獲后將由MCU進(jìn)行處理，然后通過BLE 協(xié)議棧傳送到客戶端。

　　市場上有無數(shù)設(shè)備將BLE協(xié)議棧與微控制器(MCU)集成在一起，從而讓開發(fā)人員能夠創(chuàng)建類似于傳感器輸入設(shè)備的單芯片系統(tǒng)：

　　但是，使用機(jī)械組件會(huì)犧牲可靠性和人體工程學(xué)理念。比如按鍵容易磨損，從而縮短設(shè)備的使用壽命。鑒于這些局限性，很多行業(yè)正在使用電容傳感解決方案替代機(jī)械用戶接口。

　　采用電容傳感用戶輸入也會(huì)面臨其他的挑戰(zhàn)。比如很多架構(gòu)需要兩個(gè)芯片，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)電容傳感，另一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)BLE，從而增加PCB的尺寸，從而增加制造總成本。另外還有電源管理問題，系統(tǒng)需要額外的時(shí)鐘來協(xié)調(diào)兩個(gè)芯片的待機(jī)時(shí)間。在幾乎所有應(yīng)用中，采用BLE的產(chǎn)品(遙控器、鼠標(biāo)等)都會(huì)使用電池供電。因此，延長電池壽命極為重要。

　　為了應(yīng)對上述場景，我們需要集成了電容傳感和BLE的單一芯片。

　　除了上述問題之外，設(shè)計(jì)人員還需要解決其它一些問題。其中需要重點(diǎn)考慮的問題是：弧形/厚覆面和射電輻射導(dǎo)致的觸摸傳感SNR(信噪比)的下降。 觸摸傳感SNR定義了設(shè)備區(qū)分預(yù)期輸入信號(hào)(本例中就是用戶的觸摸動(dòng)作)和噪聲的能力。因此，SNR下降將增加設(shè)備區(qū)分實(shí)際觸摸動(dòng)作和噪聲的失敗率，從而導(dǎo)致誤觸等現(xiàn)象。請想象一下，如果用戶正在觀看一場激動(dòng)人心的足球比賽，但此時(shí)觸控遙控器的誤觸錯(cuò)誤導(dǎo)致頻道不斷切換，用戶將有何反應(yīng)?

　　我們在這里有必要簡要回顧一下電容傳感技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，然后運(yùn)用這些知識(shí)了解誤觸的起源。

　　電容傳感器就是PBC上的一塊導(dǎo)體墊。傳感器和地層之間有一個(gè)稱為寄生電容(Cp)的電容。覆面位于傳感器上方。當(dāng)用戶觸摸電容按鍵時(shí)，他實(shí)際上觸摸的是覆面的頂部，這將為傳感器增加一個(gè)手指電容(Cf)。

　　因此，

　　觸摸之前的傳感器電容 = Cp (基線)

　　觸摸時(shí)的傳感器電容 = Cp+ Cf(并聯(lián)電容器)

　　一個(gè)MCU定期掃錨傳感器，檢測其電容變化(即從Cp到Cp+Cf的變化)。掃描周期由掃描速率決定。

　　電容的計(jì)算公式是：

　　C = E* (A/d)

　　(C =Capacitance電容, E= Permittivity電容率, A=Area面積, d= distance between electrodes電極間距)

　　因此，對于Cf而言，“d”是覆面厚度。厚度增加(即覆面更厚)時(shí)，Cf將降低。

　　MCU在掃描電容變化時(shí)，它還需要 確定變化是由實(shí)際觸摸動(dòng)作導(dǎo)致的，還是由噪聲導(dǎo)致的。當(dāng)Cf較低時(shí)，某些噪聲信號(hào)有可能擁有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，因此，MCU可能難以區(qū)分真實(shí)信號(hào)和噪聲，從而導(dǎo)致誤觸。

　　對于弧形覆面(比如說觸控鼠標(biāo))而言，Cf因傳感器和覆面之間的空隙(降低電容率)而下降，也會(huì)導(dǎo)致上述問題。

　　對于BLE 從設(shè)備而言，影響觸摸傳感精度的第三個(gè)因素是藍(lán)牙無線信號(hào)引入的“噪聲”。

　　綜上所述，我們就知道了信號(hào)減弱、噪聲增強(qiáng)的原因。通常而言，MCU使用信噪比區(qū)分信號(hào)和噪聲，如果兩者的強(qiáng)度相當(dāng)，設(shè)計(jì)一款可靠的產(chǎn)品將會(huì)更加復(fù)雜。

　　有很多方法可以解決這些問題， 但很多傳統(tǒng)方法會(huì)增加BOM成本(因?yàn)樾枰~外的組件)、設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本(比如更多的工時(shí))。此外，由于存在這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)發(fā)生多次迭代，從而進(jìn)一步推升成本，推遲最終產(chǎn)品的上市時(shí)間。

　　設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)BLE從設(shè)備時(shí)還面臨另外一些挑戰(zhàn)，這些問題與BLE協(xié)議棧有關(guān)，在HID和非HID設(shè)備都會(huì)出現(xiàn)。其中一個(gè)戰(zhàn)術(shù)性挑戰(zhàn)是需要使用多個(gè)工具來開發(fā)、編程和測試BLE應(yīng)用。此外，理解藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的BLE規(guī)范本身也是一個(gè) 繁瑣的過程。為了開發(fā)固件，設(shè)計(jì)人員必需深入理解這個(gè)規(guī)范。此外，該規(guī)范會(huì)定期更新，因此需要持續(xù)開發(fā)。不遵從這些更新將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備落伍，降低其互操作性。為了“通過無線方式”支持這些更新，設(shè)備還需要配備額外的存儲(chǔ)器。增加外設(shè)存儲(chǔ)器時(shí)，其通常連接至MCU;因此，需要通過MCU讀取該存儲(chǔ)器，這將增加功耗，并可能導(dǎo)致處理器因更新而阻塞。

　　BLE無線輸出需要使用一個(gè)額外的BALUN(Balanced to Unbalanced)網(wǎng)絡(luò)將輸出阻抗調(diào)節(jié)至標(biāo)準(zhǔn)的50 Ohms。一些BLE MCU/SoC內(nèi)置了BALUN，但另一些則沒有。如果沒有內(nèi)置BALUN，則必需使用外置電感器和電容器搭建一個(gè)。這需要使用9個(gè)外置組件，從而極大增加了調(diào)節(jié)通信匹配網(wǎng)絡(luò)(AMN)的復(fù)雜性。

　　幸運(yùn)的是，通過選擇適當(dāng)?shù)男酒鲜龊芏嗵魬?zhàn)均能在設(shè)計(jì)初期得到克服。

　　為您的BLE HID產(chǎn)品選擇適當(dāng)?shù)男酒?/p>

　　選擇芯片時(shí)應(yīng)牢記最終目標(biāo)：即一個(gè)需要最少的組件、能夠提供高性能、消耗最少電能的簡單設(shè)計(jì)。好消息是市場上有很多芯片組可供選擇。這些芯片具有不同的價(jià)值定位。詳情請參閱http://www.argenox.com/bluetooth-low-energy-ble-v4-0-development/library/a-guide-to-selecting-a-bluetooth-chipset/。

　　但是，同時(shí)支持電容傳感和BLE的單芯片架構(gòu)在市場上并不多見。賽普拉斯的PRoC BLE采用了其被市場廣泛接受的CapSense技術(shù)，并且保留了CapSense的所有USP。CapSense和BLE子系統(tǒng)讓PRoC BLE成為了HID BLE產(chǎn)品的一個(gè)整體解決方案。除了集成核心功能之外，PRoC BLE還解決了以下設(shè)計(jì)問題：

　　1. 足量的嵌入式閃存(最大128KB)和SRAM(最大16KB)以便通過無線方式更新BLE規(guī)范。 PRoC BLE還具備DMA(直接內(nèi)存存取)功能，有助于在無需CPU的干涉下直接存取內(nèi)存。

　　2. 靈活的低功耗模式有助于設(shè)備大幅降低功耗。

　　3. 使用配備BLE組件的PSoC Creator簡化設(shè)計(jì)。隨時(shí)可用的內(nèi)置BLE協(xié)議棧可讓設(shè)計(jì)人員利用BLE，而且無需掌握BLE 規(guī)范，從而簡化設(shè)計(jì)。此外，PRoC BLE內(nèi)置對藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟所采用的協(xié)議和服務(wù)的支持，并提供有助于創(chuàng)建定制協(xié)議和服務(wù)的功能。

　　詳情請參閱：http://www.cypress.com/products/proc-ble-bluetooth-smart

　　若想初步了解PRoC BLE：

　　1. 下載PSoC Creator IDE：www.cypress.com/creator

　　2. 根據(jù)您的應(yīng)用購買一個(gè)工具包。對于觸控鼠標(biāo)、遙控器等常見應(yīng)用，我們提供RDK。對于其它應(yīng)用，我們提供標(biāo)準(zhǔn)的工具包和模塊。

　　3. 另請參閱以下應(yīng)用說明： http://www.cypress.com/file/140661/download