如何设计和实现可延长电池寿命的低能量触摸系统

触摸感应屏幕为手持设备增添了许多功能。它们还可以节省(电池)寿命。尽管在过去几年中设计低能耗系统取得了很大进展 - 电池能量密度更高，电子消耗更少，电源管理更精细 - 最常见的用户投诉仍然是设备永远不会持续足够长的时间而不需要充电。

这些现代低功耗设备中的许多都使用触摸传感，这是一种广为接受的技术，适用于现代和下一代设计。与它们连接的控制器曾经是笨拙，笨重，需要不断校准。

新一代算法和方法改变了这一切。因此，现代设备的用户可以期待清洁，可靠和良好实施的触摸系统。

低功耗电子设备与触摸系统的结合是下一个挑战，在不影响功能的情况下减少能源使用。本文讨论如何设计和实现低能量触摸系统，以延长电池寿命和下一代设计的可用性。

透明与不透明

触摸感应技术可分为两大类：透明和不透明。我们在平板电脑和手机上熟悉的透明技术位于LCD屏幕之上，通常基于模拟电阻或电容触摸技术。

 

 

图1：铟锡氧化物等材料的变化阻力通过触摸拉伸。

对于模拟电阻传感器，由氧化铟锡等材料制成的导电层在受到压力接触时会改变电阻。通过测量每个轴的电压，确定一个位置(见图1)。由于弹性退化问题，大多数新设计使用电容技术。电阻式触摸层取决于材料的弹性，并且随着时间的推移，磨损会改变材料特性。

电容式传感器类似地测量位置，但是通过使用相邻的电极。可以感测放置在绝缘电极上的导电物体(如手指)的电容变化并用于确定位置。

不透明触摸传感器通常也是电容性的。按钮可以像大型PCB垫一样简单，但对于滑块和环，一系列铜表面用于通过这些元件之间的电容测量来检测位置。

低成本，坚固且防水的设计可以利用不透明传感器实现高级用户界面，坚固，有弹性，耐用。即使是基于LCD的平板电脑和手机也可以利用不透明的传感器来实现不会从显示区域带走的硬接线触摸区。

低能耗架构

无论采用何种技术，系统都必须构建明智地使用能源管理计划。只是将微控制器置于睡眠状态不会削减它。唤醒系统可能需要触摸事件。

通常，系统设计人员可以选择是使用中断还是轮询来唤醒处于低能量睡眠模式的微控制器，但电容式触摸系统并非如此。

使用电容式触摸系统，感应电容通过保护涂层改变定时器或振荡器的时间常数。因此，必须使用门控计数器来生成用于确定印刷机的阈值。由于您不想添加外部逻辑，因此必须在微控制器中完成，这意味着它通常不会完全处于睡眠状态。

将此与小型手持设备通常空间受限的事实相结合，理想的解决方案是单个片上微控制器具有在芯片上进行感应和处理所需的所有硬件资源。

大多数触摸感应设计需要一个稳定的电流源为感应电容充电，一个模拟多路复用器将相应的元件路由到ADC或模拟比较器，定时器或计数器，以及对电容器放电的能力。此外，处理器应具有良好的节能模式和功能，特别是如果它不仅仅是一个专用的触摸屏控制器。《 br》换句话说，如果一个高效，低功耗的微控制器具有执行触摸屏处理和设备主要功能的能力，它通常比设计双处理器系统更好。全功能解决方案

一家进军触摸控制器技术的公司是赛普拉斯半导体公司，该公司拥有可编程片上系统技术(PSoC)。 PSoC®系统是嵌入式混合信号器件系列，采用该公司的M8C核心处理器。这些哈佛架构控制器的运行速度高达24 MHz，性能达到4 MIPS。

丰富的数字和模拟资源(特别是模拟多路复用)使其成为低功耗触摸屏控制的理想选择(参见图2)。该系列产品的亮度范围为8 K至32 K，采用16引脚至48引脚封装，最高可达2 K RAM。 1.8 V至5 V功率范围还可以帮助最大限度地降低功耗并直接匹配电池电量。

 

 

图2：PSoC模拟多路复用器和电流源在允许精确触摸方面起着关键作用传感应用。

性能水平也不错。例如，CY8C20xx6A系列具有多达33个CapSense®I/O和6个带本机I²C，SPI和USB的滑条。可以调整滑动传感器灵敏度，并且可以实现插补分辨率，最高可达64 K的一部分。可以使用逐次逼近和Σ-Δ转换技术。可以通过高达15毫米的玻璃覆盖层感应接近，为脆弱的LCD提供更加坚固的保护。

功耗方面，采用这种技术的应用通常可以在1μA的睡眠电流下运行，在1-4 mA的电流下运行运行。通过该公司可免费下载的PSoC Designer™集成设计环境提供设计支持，具有图形资源配置实用程序，以及内置调试器和ICE支持的免费C编译器(和汇编器)。

功耗低，Scotty

对于某些要求苛刻的设计，需要更多的处理能力，同时减少能源消耗。这里有一个不同的思考过程。硬件和软件模块都采用了新的关系，因为解决方案的设计功耗很低。

Energy Micro的Gecko系列基于ARM®Cortex™-M3的处理器采用架构结构和资源，大大降低了运行功率下一代电池供电和手持设备。 EFM32系列有五个功能，可以降低功耗，而不仅仅是几个低功耗模式。

Gecko真正脱颖而出的原因是核心如何在自主功能下进入休眠状态仍然可以使用非常低的功率进行。独特的Reflex Bus架构(参见图3)允许建立基于状态机的交互，因此可以在没有微芯片唤醒的情况下进行整个事件序列的处理。

例如，在能量模式2中，LCD，实时时钟，脉冲计数器，看门狗定时器，UART，I2C和模拟比较器都可以主动运行并监控外部世界，而核心和闪存处于静态 - 关闭状态(保留所有寄存器和设置值)。

 

 

图3：EFM32微控制器中的外设反射系统可以在不涉及CPU的情况下直接将一个外设连接到另一个外设。该系统使外围设备能够产生其他外设可以消耗的信号，并在CPU休眠时立即做出反应。

在此模式下，系统消耗0.9μA并在2μs内唤醒至完全活动模式，消耗180 μA/兆赫。由于片上丰富的外设资源和低功耗有源处理，同样的方法可用于实现功耗极低的电容式触摸系统，其余功能足以成为系统处理器。

下一步向前迈进

除反射总线外，Energy Micro还实施了低能耗传感器接口(LESENSE)，可进一步降低能耗。通过将定时器功能移至能量模式2，该器件可以通过比较器执行门控计数器功能。

这使得内核可以保持睡眠状态，而自由运行的RC张弛振荡器可以为多达16个电容传感器输入提供数组(参见图4)。用户可调节的反馈电阻可以控制电容式传感器的充电速率，以便在使用较慢的轮询时进一步降低功率。

 

 

图4：低 - 功率张弛振荡器使用触摸电容器元件作为其频率的源。较低的频率偏移表示电容元件(例如手指)靠近传感器焊盘。

比较器输出驱动内部开关以选择控制电容充电速率的参考电压。然后，振荡电压产生频率波形，该频率波形被选通以产生指示是否存在接近的手指(或电容性物体)的频率。当大电容(手指)靠近焊盘时会发生频率降低，这会使数字阈值检测器跳闸并唤醒内核(见图5)。

 

 

图5：张弛振荡器通过设置电容波形的电压阈值来形成。

设置数字

不透明传感器的PCB布局取决于平行铜距和紧密间距。电容只是一个因素;实际上有五个因素会影响振荡。除了PCB电容(C)之外，还有串联电阻，上限阈值电压设置和下限阈值电压设置。电源电压也会影响频率。

电容在VTL和VTH之间充电的周期(T)由下式给出：

T = RC x ln((Vdd - VTL)/(Vdd - VTH ))

VTH和VTL之间的放电时间与充电时间相同，因此振荡频率由下式给出：

F = 1/(2 x T)(2.3)

这让设计人员可以决定在特定时间范围内会发生多少次振荡。将LESENSE阈值调整到正确的数字将唤醒微控制器。

另一个需要考虑的因素是大型PCB传感器对手等较大物体更敏感。您可以通过移除接地层来提高灵敏度，但您会对EMI和噪声更敏感。中间路线的方法是在传感器和周围的地平面之间留出空间，因此场线指向用户。

将其用于测试

幸运的是，有一个开发板来自Energy Micro的实施电容式触摸传感器和一些额外的低能量感应电路。

Tiny Gecko入门套件是USB可编程ARM Cortex-M3(EFM32TG840F32)演示和开发套件。它包含一个能量监视器，用于测量和验证USB或电池模式下的低功耗操作。

除了直接驱动的8x20段LCD，按钮和用户LED外，Tiny Gecko入门套件还包含触摸功能电容滑块和软件实现了极低功耗的触摸界面。其他传感器是电阻式，光级，金属感应传感器，也可以在微控制器处于睡眠状态时运行。

从哪里开始

现有多种OEM解决方案可满足许多触摸系统要求。各种标准尺寸的模拟电阻式触摸屏和电容式触摸屏可直接用于多种设计。甚至触摸屏控制器也可从OEM供应商处获得，并且可以很好地满足许多应用。例如，3M™MicroTouch™系列控制器可为不同尺寸的电容式触摸屏提供各种支持的触摸设备。其基于ASIC的控制器通常消耗500μA的休眠电流，但在工作期间通常需要75至85 mA的电流。对于POS系统，游戏机，工业系统和信息亭等功耗不敏感的应用，这是一种理想的解决方案。小型低功耗手持系统通常不能使用固定解决方案。尺寸限制，成本限制和功率限制将无法满足手持设备用户的需求。