使用电容和红外线接近感应开发新一代人机界面

简介

预计2010年具有先进人机界面的电子产品出货量将超过十亿。这些人机界面利用电容和红外线接近感应等技术使终端用户体验显著改善，同时增加了 系统可靠性、降低了总体成本。除了使产品更易使用、更具视觉吸引力之外，这些人机界面屏蔽掉了电子产品日益增长的复杂性，使得制造商能够把具有先进功能的 产品更快推向市场。

先进传感器人机界面比传统的机械式界面更可靠，因为它们没有与按键和转盘相连的活动部件，这些部件随着时间的推移更易失效。基于传感器的控制面 板和显示器也变得更加灵活，允许单套控制组件根据应用程序环境重新配置，以便客户在现有功能的基础上实现自己的应用。手势识别和“非接触”技术相结合后， 开发人员可以使设备界面变得更加智能，预测用户所需、创新使用模式，从而使产品更加友好、直观易用。固件可以根据市场需求快速方便的灵活调整，从而无需完 全重新构建系统或重新设计设备外观。

新一代人机界面

新产品呼唤新人机界面的产生，从而使自己在市场中脱颖而出。通过使电子设备更了解其运行环境，新功能增强了易用性、提高功效和降低系统成本。此外，其高灵敏度、低噪音，耐潮湿的特性，即使在最具挑战性的环境中也能确保其可靠性。

驱动新一代人机界面开发的两种主流技术是电容和接近感应。电容感应器通过感应器件的电容值变化判断使用者的手指的存在。它可实现高级控件，如滑 动条和滚轮，并且能更好的识别用户过去常采用的物理反馈式近距离界面操作，如按下按钮。接近感应使用红外线传感器（利用红外线反射技术）测量与物体间的距 离，最远可达1米。接近传感器也可以辨认空中物体，进行“非接触式”手势跟踪。

以上两种技术相结合能够对用户界面进行更好的调控。许多最终用户已经从一些消费类产品使用中熟悉了电容感应技术，最有代表性的是iPod和iPhone。到目前为止，接近感应通常被用来进行简单的任务，如手机上的面颊检测。然而，其应用领域远非局限于此：

      用户检测：例如，接近感应可以检测到最终用户当前是否在电脑前，并能够在用户离开时关闭显示器。考虑到LCD背光非常耗电，因此即使是简单的用户检测也能 为整个企业节省大量能耗。用户检测也可以用于USB充电器/驱动器等设备，以便设备可以做好被突然拔出的准备。

      无指纹显示：许多便携式设备需要用户触摸屏幕上的按钮，遗留的印迹即不利于识别，也很难清除。具有非接触式界面的便携式多媒体播放器使用户在观看视频时无 需触摸屏幕。类似的应用包括：使用户无需触摸屏幕即可轻松实现电子书翻页；允许医生在手术中直接与触摸屏系统交互，而无需触摸电子屏幕。

      自动背光控制：接近感应信号通道一部分利用环境光传感器（ALS）消除外部光源带来的噪声。同样的传感器也能够用于监视背景照明条件，自动调整显示器背光以减少能量消耗。

      隐形入侵检测：可反射射向系统内门表面的红外光，开发人员可以实施“隐形”入侵检测机制，避免具有相同功能的机械开关的不可靠性和损耗。

      健康和安全考虑：多媒体信息站(kiosk)、检验台和其他公共计算机存在通过键盘和屏幕传播疾病的风险。例如，在中国的一些地区，法律规定电梯控制面板 每小时消毒一次，以防止SARS的蔓延。非接触式面板避免和减轻了这些公共健康所带来的问题。

移除界面控制

嵌入式设计中的一个趋势是从主应用处理器中去除用户界面管理，将其分配给专用的8位微控制器（MCU）。对于应用处理器来说，触摸是一个相对较慢的动作，使用整个系统去检测用户是否移动手指比使用专用8位MCU实现相同功能所消耗的能量要多得多。

电容式触摸感应MCU，如Silicon Labs的F99x系列产品非常适合用于管理新一代用户界面。通过为任务提供高达25 MHz的运行性能以及最优化的外设，F99x MCU提供智能和精确感应所需的处理和输入能力。与Si11xx接近感应系列产品相结合，开发者可在单一开发环境中实现高效人机界面。

F99x MCU的电容感应性能通过硬件实现的电容数字转换器（CDC）得到进一步增强。Silicon Labs的CDC包含两路电流输入（数字模拟转换器或DAC）。第一路为可变DAC，用于测量到外部感应电容的电流；第二路是恒定电流源，用于内部参考电 容（见图1）。电容测量使用逐次逼近方式（SAR），该高效处理过程消除了直流（DC）偏移带来的影响，且无需外部组件。

图1：硬件实现的CDC提供高性能、16位精度、高可靠性和DC偏移抑制—无需外部组件

F99x MCU的16位CDC具有高可靠性和准确性。通过执行两阶段外部电容放电，CDC能够消除放电过程中传入的环境噪声。相比之下，其他方法需要额外的外部元件（例如串联电阻等）和一个以上I/O/每通道（因而增加了MCU尺寸和布线难度）。

CDC的动态范围通过使用可调增益得到进一步提升。同时，动态范围也通过以下方式得到增强：减少源电流以改变充电时间；当源电流和串联阻抗都很 高时（例如当使用触摸面板或ESD保护电容按盘时）更直接反映电容传感器电压。更高灵敏度为开发人员提供更大的信号冗余度，允许他们使用较厚的塑料、更小 的电极，即使在嘈杂环境中仍能确保操作可靠性。 CDC也可使用引脚监视功能动态调整转换时间，消除附近引脚上高电流开关转换所带来的干扰。总之，CDC具有极好的信噪比（SNR），在典型的电容感应实 现中SNR为50-100。

无与伦比的系统响应性

接近传感采用了红外线感应器和一个或更多的红外发光二极管（LED）。其基本工作原理是通过照亮物体，然后测量反射光的强度。所需LED的数量 取决于应用以及是否需要三维信息。例如，纸巾分配传感器，只需要一个LED来检测是否有人站在分配器前。为了检测左/右或上/下的手势，需要两个LED。 为了支持三维导航，需要三个LED。在每一种情况下，只需一个物理传感器。然而，每个附加的传感器增加了识别来自每个LED信号强度的所需处理，并且可利 用三角定位方法判断被检测对象的位置。

处理也需要过滤接收信号中的噪声（即背景光）。处理器或嵌入式控制器越强大，所能获得的采样值就越多，过滤效果也就越好。增加采样率提高了系统的分辨率，同时更好的过滤也提高了准确性。快速采样和高精度过滤需要一个稳健的接口，开发人员必须权衡每一种方法来优化其应用。

通常情况下，与低灵敏度光电二极管相关的是扩展采集时间，允许光源（例如荧光灯）闪烁降低精度。Silicon Labs高灵敏度的光电二极管技术 — 10余年来已在行业得到验证 — 具有良好的抗电磁干扰（EMI）和抗闪烁特性，且能可靠检测高达50厘米远的物体，而无需使用外部镜头或过滤器。基于稳健的光电二极管技术，Si11xx 传感器系列产品可以选择集成环境光传感器。

接近感应子系统的功耗主要是红外线发光二极管（LED）。Silicon Labs的QuickSense™开发环境可协助开发者定义配置参数，优化精度、检测范围和功耗。例如，高级控制能力允许开发人员为特定应用和检测范围动 态调整LED电流。对于超低功耗操作，开发者能够使用创新的单脉冲接近感应最小化LED打开时间，可以使功耗效率最大提高4000倍，如图2所示。

图2：QuickSense MCU具有创新的单脉冲接近传感，最小化LED打开时间，

功耗效率最大提高4000倍

降低系统功耗

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现在，人们对绿色、节能型电器日益关注。不仅是便携式电器，所有电器设备都开始考虑将节能环保理念应用于设计中。高效低功耗策略之一是最小化 CPU运行时间，最大化系统内尽可能多组件的休眠时间。通过采用下列机制，Silicon Labs降低了电容触摸感应MCU的整体系统功耗 ：

        背景扫描：即使CPU处于节能挂起模式时，由于CDC采用硬件实现，因此电容测量通道扫描可以完全自动运行。

        自治式自动扫描：仅扫描和转换活动通道，而不是所有电容感应通道。

        通道绑定：使用单一输入同时扫描多个通道的功耗，低于分别处理多个通道所需的功耗。例如，系统能够使用单一输入扫描整个滑动条，如果检测到任一活动通道被触摸则唤醒CPU。CPU一旦被唤醒，则分别扫描每个通道，判断哪个通道被触摸并开始识别手势。

        集成LDO调节器：F99x MCU所集成的LDO电压调节器提供线性响应，同时维持所有电压下的恒定、超低有效电流。此外，F99x具备特殊电路，在LDO调节器处于睡眠模式下时，可以保持RAM内容。

        灵活的工作电压：对于许多MCU而言，当工作电压降低时CPU也必须在较低频率下运行。因此增加运行时间和功耗。如果使用AA/AAA电池，即使MCU可 在最低2.2V下工作，也会浪费掉20%的电池寿命。由于在25MHz全功能运行条件下工作电压可降到1.8V ，F99x可在不同应用下实现最大化的电池寿命。

大多数MCU旨在优化运行或休眠时的功率效率。F99x架构在运行和休眠两种模式下都具有业内最低功率（见表1）。内部电源管理单元（PMU）限制了漏电，使运行和休眠模式下的电流不到F99x竞争产品的一半。

*在0.9 to 1.8 V下运行时，通过采用内部升压转换器，C8051F99x MCU获得更大平均功率效率。

表1：F99x运行和休眠模式功耗

快速触摸唤醒

降低功耗的一个重要方法是关闭不再使用的设备显示屏和控制界面，并使整个系统处于休眠模式。界面设计的一个关键因素是系统在休眠和运行模式之间 转换 时系统如何对用户响应，即如何更快被唤醒。在电容式感应系统中，系统处于休眠状态时，没有背光为用户指示电容按钮或滑动条的功能。因此，第一次按键仅用于 唤醒系统

采用接近传感技术，系统可以检测最远位于1米的用户。这使得用户在接近或到达设备时，接近传感器能够唤醒系统，并在用户准备按键时使显示器准备 就绪。在实际应用中，这改变了用户与设备进行交互的方式，使得系统更加智能和友好。例如，汽车音响或机顶盒等设备能够在不使用时关闭控制面板，而当用户靠 近时完全打开。

唤醒时间是指确认唤醒与执行首条指令之间的时间间隔。唤醒时间取决于许多因素，包括调节器稳定性和模拟设备建立时间。在读取电容或接近传感器 时，CPU首先要执行的是模拟测量。如果模拟外围设备还未准备就绪，则会延长有效唤醒时间。唤醒时间不仅影响系统响应，也影响功效。在唤醒期间，MCU不 工作但仍然耗电。因此，缩短唤醒时间可以降低CPU唤醒过程中的功耗。

评估唤醒时间比较复杂，不同供应商采用不同的标准测量唤醒时间。有些MCU唤醒会触发中断服务例程（ISR），且必须等待直到模拟检测完成。在 这种情况下，唤醒时间是指从唤醒事件开始时到MCLK在适合的引脚上有效时，或到中断向量被取指令时。为了在首条代码指令执行前获得相同唤醒时间，开发人 员必须添加几个µs/CPU周期到测量中。

F99x MCU唤醒时间已经被优化，休眠到唤醒仅需2us。此外，它的模拟设备建立时间仅为1.7us，比竞争对手的MCU快了15倍。因此，从事件发生到首个模拟测量的有效唤醒时间不到4us，比最接近的竞争对手最高快7倍。

除了快速响应，F99x MCU具有市场上业内最低功耗的电容式触摸感应。它们具有在工作电压范围1.8-3.6V内150uA/MHz的出色性能，以及不到1uA的业内最低功耗 触摸唤醒电流。14个CDC通道具有超快速的40us获取时间、16位精度和内置的平均化处理，增加了可靠性；且对低频噪声和DC偏移干扰具有免疫能力。 F99x MCU的CDC是当前可用的最快最灵敏的电容数字转换器，而其他有相同灵敏度的产品需要超过1000倍长的采样时间。为了实现更高的感应可靠性，高度可编 程F99x MCU可使开发人员能够动态调整活动和非活动门限，以适应环境因素的变化（见图3）。

图3：为了实现更高感应可靠性，

开发者可以动态调整活动和非活动门限以适应环境因素的变化

Silicon Labs的QuickSense产品组合包括多种的感应器件。除了F99x MCU之外，Silicon Labs的F8xx和F7xx MCU系列产品也为多种应用提供高级的电容感应、最优的性能、高效的功耗以及较低的成本。对于接近传感而言，开发人员能够选择业内领先的Si1102红外 线接近传感器或者Si1120红外线接近感应和环境光传感器。两款器件都支持节能、单脉冲技术和非接触式手势识别。 Silicon Labs的红外线接近传感器是市场上感应速度最快的感应器件，提供最长的感应距离，且不会降低功效。

高级开发环境

随着嵌入式应用变得日益复杂，设计一个健壮的应用不仅需要经过验证的硬件，也需要产品化的软件和一流的开发工具。为了帮助开发 者，Silicon Labs提供QuickSense Studio开发套件，它结合了硬件、软件和开发工具，使得开发人员能够快速、轻松的把电容和接近感应应用到项目中。

从应用的角度来看，电容和接近传感器可以被看作系统的简单输入。通过API对它们的实现进行抽象处理，开发人员可以访问用户的交互信息，而不考 虑它们的来源。触摸或手势可以很容易地映射到特定的功能活动，从而大大简化了应用程序和界面的开发。易于使用的、基于图形用户接口（GUI）的 QuickSense配置向导（Configuration Wizard）通过生成所需的应用程序配置代码和固件驱动程序加速了开发进程，开发人员无需理解或编写用于监视传感器的MCU外设的底层代码。业界验证的 固件控制不同的电容感应接口选项 — 包括触摸按键、滑动条和滚轮 — 和电容接近传感器。开发人员可以完全控制重要的感应特性，如灵敏度、操作门限、响应速度和代码大小。

QuickSense Studio开发套件也能自动校准传感器，提供完整的调试和性能分析能力，确保产品设计响应快速、稳定可靠。例如，即使有相同尺寸和形状的开关，若考虑到 与其他导电元件的远近、地平面的影响以及电子干扰的存在，它们在印刷电路板（PCB）上的位置也会影响其活动和非活动状态的电容量。在开发和产品化期间， 每个开关都需要校准，并写入Flash存储器。此外，如果环境因素的影响（诸如温度、湿度、电压和污染）足够大，不正确的测量可以导致错误的感应事件。 QuickSense Studio开发套件通过定期重新配置这些环境因素，以适应它们的动态特性。

QuickSense Studio开发套件是市场上唯一同时支持电容和接近感应的开发工具，使开发人员能够使用单一开发环境设计完整的用户界面。除了配置向导之外，QuickSense Studio开发套件也通过以下特性加速产品设计：

       红外线接近感应

       环境光感应

       电容按键和滑动条

       电容式接近感应

       复杂算法

       手势识别

       MCU控制和通讯

       电容式触摸屏

Silicon Labs也提供多种完整的开发工具套件，协助开发人员把电容和接近感应集成到他们的应用中。这些资源包括完整的无线开发套件（WDS）、电池寿命评估器、示例代码和全面的应用笔记。

 小结

 有效的人机界面需要审美学与创新型电子设备交互方式相结合。在对系统成本和功耗影响较小的前提下，寻求产品差异化的制造商能够转向新一代电容 和接近感应界面，提供更易使用、更直观的用户体验。通过采用具有电容和接近感应能力的器件，如C8051F99x电容式触摸感应MCU和Si1120接近 传感器，开发者能够快速将新一代手势和非接触式界面应用到任意系统，方便的使用业界成熟的硬件和固件。