發布日期：2022-10-09 點擊率：59
在消費、家用電器、汽車、工業等眾多電子產品中，電容式觸摸按鍵正在快速替代傳統的機械按鍵。雖然電容式按鍵擁有優于機械按鍵的諸多優勢，但是系統設計工程師在創建電容式感應系統時需要權衡某些參數。其中包括信噪比(SNR)、響應時間和功耗。
由于電容式傳感器容易受到控制器內部及外部噪聲的影響，因此SNR對于確保電容式感應系統的可靠性能至關重要。本文重點將探討另外兩個參數。
響應時間能夠代表電容式傳感器響應觸摸的速度。通常需要在功耗與響應時間之間做出權衡。我們在本文中會探討設計人員優化功耗過程中需要考慮的響應時間問題。
系統需要根據寄生電容、觸摸靈敏度等傳感器特征在特定時間(稱為掃描時間)內對電容式傳感器進行掃描。掃描時間是電容式感應控制器的功耗主因。功耗優化對于電池驅動的設備(手機以及包括心率監視器在內的可穿戴設備等)尤為重要。功耗優化可以采用多種方法，其中包括優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系統功耗優化方法之一，其稱為傳感器共連(ganging)。
功耗優化
決定功耗的關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系統時，可以讓電容式感應控制器進入休眠模式，以便降低平均電流消耗。優化電容式感應系統電源時經常采用掃描-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、傳感器數據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時間。為了實現響應時間和功耗的良好平衡，我們可以把所有傳感器結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，可以采用一條內部模擬多路復用總線把多個傳感器連接到固件內部的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響應時間，通過把靈敏度設置為超高值能夠把共連的傳感器作為接近傳感器進行調校。傳感器的靈敏度表示傳感器能夠檢測到的、由觸摸產生的最小電容變化。由于采用接近感應，只要用戶靠近設備，系統在用戶觸摸實際功能按鍵之前就能夠做出響應，從而縮短系統的響應時間。
例如，在沒有活動時可以關閉增強按鍵可見度的背光LED。當用戶靠近設備時，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。這種方法的系統響應時間比共連傳感器作為接近傳感器進行調校的方法要長。
圖3 有按鍵及滑塊的PCB
2)接近共連
當應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勢是系統可以快速響應人手接近，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探測人手。
圖4：有多個接近傳感器的PC
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