MCU在手机与平板电脑中的应用

MCU在当前手机与平板电脑应用中主要用作诸如电容式触摸感应接口、触摸屏接口、摄像头接口、不同模拟传感器输入检测、USB接口以及电池充电与监控等众多功能的协处理器。此外，负责互连上述功能的所有逻辑和接口都可以采用像用于模拟输入的ADC、用于蜂鸣器应用的PWM、段式LCD、字符型LCD、图形化LCD、用于音量控制的DAC、USB接口以及电容式触摸屏接口等各种可用组件模块设计而成。

本文将探讨MCU和可编程片上系统(PSoC)在手机与平板电脑应用中的作用，并对此类应用存在的系统限制和设计挑战进行评估。采用可编程器件既可以通过降低BOM成本、缩短设计周期时间来降低整体产品成本，还可以通过加快开发进程节约项目成本。

图1 手机设计框图(注：加亮的模块采用MCU进行操作。)

图2 平板电脑设计框图(注：加亮的模块采用MCU进行操作。)

当前的手机与平板电脑设计采用8/16/32位MCU作为不同功能的协处理器。例如，MCU可以接收来自各种模拟传感器的模拟输入信号：

热敏电阻等温度传感器、RTD与湿度传感器可接收模拟输入并提供用于MCU的数字电压。

可以测量2轴/3轴运动并将其转换成用于MCU的数字电压的2轴/3轴加速计。

环境光传感器(ALS)可以实现对宽泛照明条件下(从黑暗到阳光直射)显示屏背光灯亮度的自动控制。

经过外部ADC与缓冲电路的磁传感器输入。

用于面部检测与手部运动检测的接近传感器，以便在用户使手机接近面部时使MCU能够关闭键盘。另外，当用户手部接近键盘时，MCU能够打开键盘。MCU采用主机中断功能来激活宽带和应用处理器，以便执行面部检测操作。MCU通过检测用户的面部、耳朵或头部的接近实现面部检测，以消除触摸屏的误触摸。这样通过关断触摸屏能够减少电池消耗。此功能采用IR接近传感器实现。

用于平板电脑应用中比吸收率(SAR)调节的接近感应。SAR是指身体暴露于射频(RF)电磁场时吸收能量的比率。器件需要动态调节人体附近的无线电传输。

驱动LCD或图形显示屏的外部缓冲驱动电路。带背光灯的LCD或图形显示屏一般用于低端手机应用。另外，它还可以控制LCD与图形显示屏的背光灯。

MCU采用触摸屏控制器处理高端手机应用中的触摸屏接口。

MCU采用机械键盘处理低端手机应用中的用户输入。

MCU可以监控锂离子电池电压，并能够管理电池充电，以实现最佳充电寿命。

另外，MCU还可以用于手机中的故障检测与数据恢复应用。

MCU采用Haptics(触觉反馈技术)替代机械按键(其通过用力、振动或运动等触摸方式连接用户)。

MCU可以连接宽带与应用处理器，而且还能够连接其它板上外设，如：通过I2C与SPI接口连接的摄像头接口控制器。MCU在主机(主)和从模式下连接宽带与应用处理器，以实现数据传输。宽带和应用处理器采用板上USB 2.0/3.0控制器向外部传输数据。

手机应用中的可编程片上系统器件：

可编程片上系统(PSoC)是由MCU与可编程逻辑和高性能模数转换功能以及常用固定功能外设组合而成。此外，这些器件还集成有闪存、SRAM及EEPROM。

在低功耗模式下，此类器件消耗的电流不足1μA，因此使其非常适用于待机模式下的手机操作。为了保持低功耗操作，可编程片上系统器件还应配备一个用于实时测量的内部RTC组件，这也非常重要，这样就避免使用外部时钟/振荡器电路。同样，USB和安全数字(SD)卡接口对手机和平板电脑应用也很重要。

在低端手机应用中，采用内部PWM功能可以简化每次按键操作时蜂鸣器音调的控制与变化。PWM的占空比随用户通过GUI界面设置的所需速度变化。内部DAC可以用于控制扬声器音量和执行扬声器的静音功能。

内部运算放大器、比较器和ADC可进一步简化设计。例如，赛普拉斯的PSoC系列器件将12位1MSPS逐次逼近ADC与差分及单端模式集成在一起，其中包括采样-保持(S/H)功能，其可以用于测量不同传感器输入，包括监控电池以及采用热敏电阻或RTD等温度感应装置感应温度。这样就避免使用外部放大器、ADC及比较器，从而可以最大限度地减少手机应用的PCB需求。

灵活的工作范围(如：从1.71V~5.5V)使其更便于与外设相连，以实现其它应用。由于工作电压低至1.71V以及具有超低功耗，再加上提供能够平衡唤醒时间与功耗的休眠模式和深度睡眠模式，因此可以在支持快速响应的同时确保更长电池使用寿命。

由于手机或平板电脑连接众多外设，因此可编程片上系统需要支持多种灵活的接口。例如，配备可重新配置I2C、SPI或UART功能的两个独立的运行时间可重配置串行通信模块(SCB)可以在手机解决方案中用于内部与外部外设通信。

对于需要触摸接口的高端手机而言，支持电容式感应技术至关重要。在支持手动和自动调校基础上，开发人员能够支持防水触摸接口等高级功能。

为了进一步简化设计，关键是对LCD及图形显示屏的直接驱动，以显示不同菜单选项。采用适当设计工具可以实现灵活的实施方案，如：PSoC Creator IDE工具，其支持用于设计接口和逻辑(如：用于模拟传感器及其它模拟输入的SARADC和PGA)的组件模块。PWM、CLK、MUX和比较器组件可以用于手机应用。字符型LCD和段式LCD组件可以直接(也就是说无需外部缓冲器)驱动LCD/图形LCD。另外还具有用于实时测量的RTC组件。PSoC Creator具有内部系统时钟，因此无需外部时钟/振荡器电路。其他组件包括定时器、蜂鸣器、CapSense电容式触摸感应、段式LCD、字符型LCD、图形LCD等。

PSoC Creator另外允许用户使用配备集成编译器工具链、RTOS解决方案和生产编程器的完整工具系统。利用PSoC Creator和PSoC Designer IDE，客户能够创建和共享采用分层级方案设计的用户自定义定制外设。客户可以对所选组件自动进行布局布线，并集成简单的胶合逻辑，其一般位于分立器件中。

手机中基于不同电容式感应技术的解决方案：

电容式按键与应用：

电容式滑条与应用：

手套触摸应用：

无源触笔输入应用：

接近应用：

面部检测应用：

平板电脑SAR调节应用：

Haptics应用：

系统限制

电容式触摸感应技术可以用触摸式键盘替代机械按键。采用电容式感应技术可以智能手机和平板电脑上实现安卓/Windows按键，而且可以同时用于内嵌式(On-Cell)和外嵌式(In-Cell)拓扑。这不仅能够减少机械按键导致的故障，而且还可提高产品可靠性。此外，采用可以不断补偿系统、生产和环境变化的动态感应算法能够自动调校灵敏度，从而避免手动调整。移动设备所采用的有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示屏上的虚拟按键减少了可用屏幕空间占用。

PSoC支持手机的防水应用。它不会检测水滴造成的误判的触发，而且按键在有水滴情况下能够正常运行。

为了确保可靠操作，CSD PLUS以及具有更高抗噪性的电容式逐次逼近技术(CSA EMC)等触摸感应算法可保证手机的可靠操作。为了提高简便易用性，这些算法还需要支持手套触摸和触控笔，同时还需要用基于电容按键的面部检测系统替代现有基于IR的面部检测技术。它实现对SAR调节和Haptics的支持，以改善最终产品用户体验，而且用SmartSense自动调校功能消除系统调校。其即使在高噪声操作条件下也能保证可靠的按键性能。

手机和平板电脑在不断变薄，小巧而宝贵的空间需要容纳所有必备的电子组件。因此设计人员需要占用最少板级空间的组件，通过实现现成的组件来降低组件数量。

SmartSense自动调校功能可以设置、监控和持续保持最佳手机性能。有了该功能，无需系统调校，因此可减少设计工作量。自动调校功能适用于PCB和覆盖层，并可减少影响触摸感应性能的制造偏差。它可以实现采用不同覆盖、按键形状和线迹长度的平台设计方法，而且可以应对系统环境的变化，包括EMI噪声源，如：RF和AC线路。

手套触摸需要支持不同类型的手套，如：滑雪手套、橡胶手套、毛线手套、皮手套、布手套等。另外，其针对手机应用还需要区分手指触摸和手套触摸。它使设备能够用于用户需要佩戴手套的不同环境条件(如：寒冷天气、医院等)，而且还支持厚度达到4毫米的手套而不出现误检。

理论上系统能够通过触控笔在草图、菜单和按键之间无缝切换。对3毫米无源触控笔的支持使支持触控笔的设备更简单易用，而以前用户需要用手指触摸按键，即便是在使用触控笔工作时也需要手指配合。另外它还可以区分手指和触控笔输入。

系统还支持采用PCB线迹、单线、联动按键或单按键实现方案的接近检测。因此，用户手部接近键盘时激活前键盘。

相关应用可能需要防水性，尤其是用户在潮湿环境下工作时。电容式感应算法需要采用屏蔽电极消除水滴和薄雾造成的误判的触摸，同时采用保护传感器消除蒸汽或浸没造成的误判的触摸。

在前面板而非LCD显示屏与键盘上实现基于触摸屏的设计可给用户提供更好的界面和更高的灵活性。

电容式面部检测可以低成本替代其他MCU采用的IR接近传感器。它可以在各种光照与反射条件下提供可靠的性能。

检测用户膝部或手部接近笔记本电脑/平板电脑无线电能够调节RF功率，以符合SAR规定。其可以通过两种方式实现：

● 在器件周边采用单线/线迹限制所有无线电发射。

● 采用众多传感器有选择性地限制无线电在人体附近的发射。

接近检测功能还可以用于实现手机与平板电脑的以下功能：

1.唤醒方法：在手部靠近设备时手机自动关闭铃声。

2.用前隐藏：在手部靠近设备之前关闭背光灯。

3.机械控制杆支持：检测手指接触控制杆，同时通知主机忽略对相邻按键的意外触摸。

4.手势识别：识别基本的手部/手指姿态。

5.设置控制：根据手机是处于用户手中还是口袋中来控制手机的设置(静音、振动、响铃等)。

6.面部检测(替代IR接近传感器)。

7.SAR调校。

随着电路板内部和外部接口的不断增多，入侵者破坏系统的方式也层出不穷。故障分析和退回材料是这种嵌入式系统的最大局限性之一，而单芯片解决方案可以解决此问题。

设计挑战：

使CapSense性能(信噪比)符合前面板上附近的LED(基于PWM)是系统设计人员面临的设计挑战。

实现防水性也是系统设计人员面临的设计挑战。

根据线迹电容变化以及CapSense按键与滑块大小及形状的变化实现自动调校、利用更厚的玻璃材料(显示屏玻璃)实现CapSense感应、以及使CapSense灵敏度符合相关材料类型同样是系统设计人员面临的设计挑战。

显示屏、触摸屏和按键采用柔性印刷电路(FPC)接口是系统设计人员的设计难题。

由于此解决方案涉及机电构造，因此设计紧凑的低成本机电解决方案是系统设计人员面临的一大设计挑战。验证机电设计是否符合EMI/EMC标准是系统设计人员面临的设计挑战。

手机应用需要故障检测和恢复机制。手机应用需要具备电池保护、过流、过热、启动故障条件等功能的电源设计。在手机应用中实现自我诊断功能是系统设计人员面临的设计挑战。

由于此解决方案可能会全天候不间断运行，因此组件选择及其可靠性是系统设计人员面临的设计挑战。

实现电压波动防护是系统设计人员面临的设计挑战。实现通用的电源和系统是系统设计人员面临的设计挑战。

具有一次性可编程(OTP)特性的微控制器可以防止竞争对手和黑客对固件实施逆向工程。

手机和平板电脑采用微控制器作为当前设计中的协处理器。PSoC由微控制器和ASIC组合而成。PSoC可以在手机应用中提供简单易用的环境。在这些应用中采用PSoC既可通过降低BOM成本和缩短设计周期时间来降低产品成本，又可通过采用PSoC Creator和PSoC Designer实现方案来节省项目成本。