運用傳感器共連優(yōu)化電容式感應(yīng)系統(tǒng)中的電源功耗

在消費、家用電器、汽車、工業(yè)等眾多電子產(chǎn)品中，電容式觸摸按鍵正在快速替代傳統(tǒng)的機械按鍵。雖然電容式按鍵擁有優(yōu)于機械按鍵的諸多優(yōu)勢，但是系統(tǒng)設(shè)計工程師在創(chuàng)建電容式感應(yīng)系統(tǒng)時需要權(quán)衡某些參數(shù)。其中包括信噪比(SNR)、響應(yīng)時間和功耗。

由于電容式傳感器容易受到控制器內(nèi)部及外部噪聲的影響，因此SNR對于確保電容式感應(yīng)系統(tǒng)的可靠性能至關(guān)重要。本文重點將探討另外兩個參數(shù)。

響應(yīng)時間能夠代表電容式傳感器響應(yīng)觸摸的速度。通常需要在功耗與響應(yīng)時間之間做出權(quán)衡。我們在本文中會探討設(shè)計人員優(yōu)化功耗過程中需要考慮的響應(yīng)時間問題。

系統(tǒng)需要根據(jù)寄生電容、觸摸靈敏度等傳感器特征在特定時間(稱為掃描時間)內(nèi)對電容式傳感器進行掃描。掃描時間是電容式感應(yīng)控制器的功耗主因。功耗優(yōu)化對于電池驅(qū)動的設(shè)備(手機以及包括心率監(jiān)視器在內(nèi)的可穿戴設(shè)備等)尤為重要。功耗優(yōu)化可以采用多種方法，其中包括優(yōu)化掃描時間以及傳感器掃描頻率。我們在本文中會介紹并且說明比較突出的電容式感應(yīng)系統(tǒng)功耗優(yōu)化方法之一，其稱為傳感器共連(ganging)。

功耗優(yōu)化

決定功耗的關(guān)鍵因素是傳感器的掃描時間和傳感器的掃描頻率。休眠電流值一般遠遠低于工作電流值。因此，在不使用電容式感應(yīng)系統(tǒng)時，可以讓電容式感應(yīng)控制器進入休眠模式，以便降低平均電流消耗。優(yōu)化電容式感應(yīng)系統(tǒng)電源時經(jīng)常采用掃描-休眠-掃描-休眠的方法(參見圖1)。此方法會掃描全部傳感器，然后使控制器進入低功率休眠模式。此為一個周期，隨后不斷重復此周期。一個掃描-休眠周期稱為一個刷新間隔。每個刷新間隔都包含工作時間與休眠時間。工作時間包括掃描時間、傳感器數(shù)據(jù)處理和后期傳感器掃描活動，如：LED及蜂鳴器等控制反饋機制。傳感器掃描時間占用了大部分的工作時間。

圖1 使用掃描-休眠-掃描-休眠的方法時的電流曲線

可以通過以下方法降低功耗：

a)縮短工作時間，即縮短掃描時間或后期傳感器掃描的處理時間

b)降低給定工作時間的工作電流

c)延長休眠時間

傳感器共連

傳感器共連是一種通過減少電容式感應(yīng)控制器工作時間而降低控制器功耗的方法。隨著電容式傳感器的數(shù)量增加，給定刷新間隔的功耗會隨之增加;如果刷新間隔降低，則功耗提高。對于一定數(shù)量的傳感器，降低功率就需要增加刷新間隔。但是，這會影響傳感器的響應(yīng)時間。為了實現(xiàn)響應(yīng)時間和功耗的良好平衡，我們可以把所有傳感器結(jié)合在一起當做單個傳感器進行掃描。這就稱為傳感器共連。傳感器組可被視為單個傳感器，而電容式感應(yīng)算法會把共連的獨立傳感器當做單個傳感器進行掃描。在檢測并確認有觸摸操作時，則斷開傳感器并進行單獨掃描。

在Cypress PSoC等器件中可以實現(xiàn)傳感器共連，因為其中的單獨傳感器能夠連接到全局模擬多路復用總線。在PSoC 4等混合信號器件中，可以采用一條內(nèi)部模擬多路復用總線把多個傳感器連接到固件內(nèi)部的CapSense模塊。本文末尾提供了包含模擬多路復用總線的參考設(shè)計指南，并且介紹如何把電容式傳感器連接到模擬多路復用總線。

圖2 單獨掃描傳感器傳感器相連之后再掃描

傳感器共連用例

1)按鍵/滑塊共連

在僅包含按鍵或滑塊的應(yīng)用中，在用戶觸摸任何按鍵或滑塊之前，我們可以把所有按鍵或滑塊共連，然后作為單個傳感器進行掃描。為了獲得良好的系統(tǒng)響應(yīng)時間，通過把靈敏度設(shè)置為超高值能夠把共連的傳感器作為接近傳感器進行調(diào)校。傳感器的靈敏度表示傳感器能夠檢測到的、由觸摸產(chǎn)生的最小電容變化。由于采用接近感應(yīng)，只要用戶靠近設(shè)備，系統(tǒng)在用戶觸摸實際功能按鍵之前就能夠做出響應(yīng)，從而縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

例如，在沒有活動時可以關(guān)閉增強按鍵可見度的背光LED。當用戶靠近設(shè)備時，接近傳感器能夠探測到接近的手部并打開背光LED，從而幫助用戶操作相應(yīng)按鍵。不過，由于接近傳感器極其靈敏，因此其需要更長的掃描時間，從而會增加功耗。為了進一步降低功率，可以把共連的傳感器調(diào)校到更低的靈敏度，以便其可作為按鍵進行操作。這意味著共連的傳感器僅探測用戶觸摸動作，而在用戶觸摸后所有傳感器全部單獨掃描。這種方法的系統(tǒng)響應(yīng)時間比共連傳感器作為接近傳感器進行調(diào)校的方法要長。

圖3 有按鍵及滑塊的PCB

2)接近共連

當應(yīng)用中包含多個接近傳感器時-如：手勢識別，所有接近傳感器可以共連在一起并作為單個接近傳感器進行掃描，以便在Z軸方向(從電路板來看)探測人手的接近。在探測到手部之后，單獨掃描所有接近傳感器，以探測X和Y軸方向的手勢。這種方法的另外一個優(yōu)勢是系統(tǒng)可以快速響應(yīng)人手接近，因為在接近傳感器共連后可以提高接近探測距離，因此與單獨掃描接近傳感器相比，其能夠在更遠距離內(nèi)探測人手。

圖4：有多個接近傳感器的PCB

3)矩陣或觸摸板設(shè)計中的行/列共連

在包含矩陣按鍵或觸摸板的應(yīng)用中，在用戶觸摸矩陣按鍵或觸摸板之前，所有行或列可以共連在一起作為單個傳感器進行掃描。并不需要同時共連行與列，原因是：

a)這樣會提高共連傳感器的寄生電容。寄生電容必須不超過電容式感應(yīng)控制器所支持的上限。

b)觸摸板或矩陣的布局是僅共連行或列可以探測整個傳感器區(qū)域的觸摸。

4)混合傳感器共連

我們來看一個其中四個按鍵周圍有一個接近環(huán)路的應(yīng)用實例。在本例中接近傳感器和按鍵可以共連在一起作為單個傳感器進行掃描。這樣的話接近探測范圍可以超過單獨掃描接近傳感器的情況。當電路板尺寸有限制、因而無法提高接近傳感器大小時，可以采用此方法。

圖5：有按鍵及接近傳感器的PCB

本文簡要介紹了針對于電容式感應(yīng)控制器，如何利用傳感器共連方式優(yōu)化電容式感應(yīng)系統(tǒng)功耗的方法，同時還介紹了傳感器共連的用例。