基于下一代人机界面的传感器接口设计

随着触摸屏的出现，“高科技/高触感”呈现出新的含义。增加红外接近感应将其提升到新的水平。

基于电容和红外接近感应技术的下一代人机界面可以显着改善最终用户体验，同时提高系统可靠性并降低总成本。除了使电子产品更易于使用和更具视觉吸引力之外，这些接口还掩盖了电子产品日益增长的潜在复杂性，使制造商能够更快地将具有先进功能的产品带入大众市场。

先进的基于传感器的接口更可靠比传统的机械接口，因为它们不包含与按钮和拨号相关的移动部件，这些移动部件随着时间的推移易于发生故障。基于传感器的控制面板和显示器也更加灵活，允许根据应用程序上下文重新配置一组控件，以便仅向用户显示当前活动的选项。结合手势识别和“非接触式”技术，开发人员可以为预期用户需求的设备界面添加智能，并启用创新的使用模型，使产品更友好，更直观。灵活的固件可以根据市场需求的变化快速轻松地进行调整，而无需完全重新构建系统或重新设计设备包装。

下一代人机界面下一代产品需要新一代人机界面才能实现差异化市场。通过使电子设备更加了解其环境，可以实现新功能，这增强了易用性，提高了功率效率并降低了系统成本。此外，即使在最具挑战性的环境中，高灵敏度，低噪音和耐潮湿也能确保可靠性推动下一代接口开发的两项主要技术是电容式和接近式感应。电容感测通过感测元件的电容值的变化来检测人手指的存在。它支持滑块和滚轮等高级控制，非常适合用户习惯物理反馈的近距离接口，例如按下按钮时。接近感应使用红外传感器使用红外反射技术计算距离一米远的物体的距离。接近传感器还可以将物体放置在空间中，实现“无接触”手势跟踪。

将这两种技术结合使用可以更好地调整用户界面。许多终端用户已经熟悉电容式传感技术，因为它广泛应用于各种消费产品，最突出的是iPod和iPhone。直到最近，接近感应通常用于简单的任务，例如手机中的面颊检测。但是，它可以用于更多：

用户检测：接近感应可以确定，例如，最终用户当前是否正坐在PC上，并且可以在用户关闭显示器时走开办公桌。鉴于LCD背光所需的大量功率，即使是简单的用户检测也可以在整个组织中实现显着的功耗节省。用户检测也可以在USB充电器或拇指驱动器等设备中实现，这样设备就可以为突然移除做好准备。

无指纹显示器：许多便携式设备要求用户触摸屏幕上的按钮，留下难以透视和清洁的油性痕迹。例如，用于便携式多媒体播放器的非接触式接口将消除用户触摸他们想要观看视频的屏幕的需要。类似的应用包括使用户能够轻松地翻阅电子食谱的页面，或允许医生在手术过程中直接与基于触摸屏的系统进行交互，而不会在指纹上弄脏屏幕。

自动背光控制：接近感测信号路径的一部分是使用环境光传感器（ALS）来减少来自外部光源的噪声。同样的传感器还可用于监控背景照明条件，并自动适当调整显示屏背光以降低功耗。

隐形入侵检测：反射系统内门表面的红外光，使开发人员可以部署“隐形”入侵机制，避免了用于同一目的的机械开关的不可靠性和费用。

健康和安全的好处：自助服务终端，结账台和其他公共计算机存在健康风险通过键盘或触摸屏传播疾病。例如，在中国的部分地区，法律要求每小时擦拭一次电梯面板，以防止SARS蔓延。非接触式面板可以避免和缓解这些公共健康问题。

卸载接口控制

嵌入式设计的一个新兴趋势是将用户界面管理从主应用处理器卸载到专用的8位MCU。人体触摸对于应用处理器来说是一个相对缓慢的事件，并且为整个系统供电以检查用户是否移动了他或她的手指消耗的功率比8位MCU完成相同任务所需的功率要大得多。

电容式触摸感应MCU，例如Silicon Labs的F99x系列，非常适合管理下一代用户界面。通过提供高达25 MHz的性能以及针对任务优化的外设，F99x MCU提供实现智能和精确传感所需的处理和输入功能。当与Silicon Labs的Si114x系列接近传感器结合使用时，开发人员可以在单一开发环境中实现高效的用户界面。

通过基于硬件的电容式设备进一步增强F99x MCU的电容传感性能数字转换器（CDC）。 CDC由Silicon Labs开发，包括两个电流输入，即数模转换器（DAC）。第一种是可变DAC，用于测量外部传感器电容的电流，第二种是内部参考电容的恒流源（见图1）。使用逐次逼近寄存器（SAR）测量电容 - 一种不受DC偏移影响的有效过程，无需外部元件

图1：基于硬件的CDC可实现高性能，16位分辨率，高可靠性和DC偏移抗扰度 - 无需外部元件。

F99x MCU的16位CDC具有高可靠性和高精度。通过执行外部电容器的两级放电，CDC可以去除在放电过程中捕获的环境噪声能量。相比之下，其他方法需要额外的外部元件（例如，串联电阻）和每个通道多个I/O（从而增加MCU尺寸并增加布线难度）。

CDC的动态范围通过使用可调节来改善获得。当源电流和串联阻抗都很高时（例如使用触摸板或ESD时），能够降低源电流以改变充电时序并更直接反映电容传感器的电压，从而增强了动态范围。受保护的电容垫）。更高的灵敏度为开发人员提供了更大的信号余量，使他们能够使用更厚的塑料，使电极更小，并在嘈杂的环境中可靠地运行。如果需要，CDC还采用引脚监控来自动调整转换时序，以消除附近引脚上高电流开关可能产生的干扰。总之，CDC为典型的电容式感应实现提供了50到100之间的卓越信噪比（SNR）。

无与伦比的系统响应能力

接近感应采用红外传感器和一个或多个红外线 - 发光二极管（LED）。基本操作原理是照亮物体并测量反射光的强度。所需的LED数量取决于应用和所需的空间信息。例如，纸巾分配器传感器仅需要单个LED来检测人站在分配器前面。要检测左/右或上/下手势，需要两个LED。为了支持全空间导航，需要三个LED。在每种情况下，只需要一个物理传感器。然而，每个附加传感器增加了识别从每个LED接收的信号强度所需的处理并且对检测到的物体的位置进行三角测量。还需要处理来从接收信号中滤除噪声（即背景光）。处理器或嵌入式控制器越强大，它可以采取的样本越多，它可以实现更好的过滤。增加采样率可提高系统的分辨率，而更好的滤波可提高精度。快速采样和精确过滤都是强大的界面所必需的，开发人员必须平衡每种方法以优化其应用通常，与低灵敏度光电二极管相关的延长的采集时间允许来自诸如荧光灯的光源的闪烁以降低精度。 Silicon Labs的高灵敏度光电二极管技术 - 已在业界证明了十多年 - 具有出色的抗EMI和闪烁能力，同时可在不使用外部透镜或滤光片的情况下可靠地检测距离达50厘米的物体。 Si114x传感器系列基于这种强大的光电二极管技术，支持环境光感应功能。

接近感应子系统的主要功耗是红外LED。 Silicon Labs的QuickSense开发环境可帮助开发人员定义配置参数，以优化准确度，检测范围和功耗。例如，高级控制功能允许开发人员动态调整LED电流，以针对特定应用和检测范围进行调整。开发人员还可以控制刷新选通率，以进一步降低LED功耗。对于超低功耗操作，开发人员可以使用创新的单脉冲接近感应来最小化LED导通时间并实现高达4000倍的功耗改善，如图2所示。

降低系统功耗》目前对绿色节能电子产品的重视，所有设备，不仅仅是便携式设备，都开始考虑到节能设计。有效的低功耗策略的一部分是最小化CPU活动时间，同时最大化系统内尽可能多的组件的休眠时间。 Silicon Labs已经实施了多种机制来降低其电容式触摸感应MCU的整体系统功耗：

背景扫描：由于CDC采用硬件实现，因此可以自主完成信道扫描的电容测量CPU在省电挂起模式下工作。

图2：QuickSense MCU提供创新的单脉冲接近感应，最大限度地减少LED导通时间，最多可将功耗降低4000倍。

自动自动扫描：不扫描和转换所有电容式感应通道，只扫描和转换有源通道。

通道绑定：使用单个输入扫描多个通道消耗的功率更少处理多次转换以单独检查通道。例如，系统可以使用单个输入扫描整个滑块，并在触摸任何活动通道时唤醒CPU。一旦唤醒，CPU就可以分别扫描每个通道以确定触摸了哪些通道并开始解释待处理手势。

集成LDO稳压器：F99x MCU的集成低压差（LDO）稳压器提供线性响应在所有电压下保持恒定的超低有功电流。此外，在休眠模式下禁用LDO稳压器时，F99x具有保留RAM的特殊电路。

灵活的工作电压：对于许多MCU，CPU必须以较低的频率工作，因为工作电压为减少，从而增加操作时间和功耗。使用AA/AAA电池时，限制为2.2 V操作的MCU也会浪费20％的电池寿命。凭借25 MHz至1.8 V的全面运行能力，F99x可最大限度地提高各种应用的电池供电效率。

大多数MCU旨在优化有效或睡眠功率效率。 F99x架构从一开始就设计为在主动模式和睡眠模式下提供业界最低功耗（见表1）。内部电源管理单元（PMU）限制泄漏，导致有效和睡眠电流小于F99x最接近的竞争对手的一半。

模式电流消耗有效150μA/MHz *禁用欠压检测的睡眠10 nA睡眠与欠压检测内部RTC工作在300 nA时启用50 nA睡眠时间表1：F99x有效和睡眠模式功耗。

*当工作在0.9至1.8 V时，C8051F99x MCU通过内部升压实现更高的功效转换器。

快速触摸唤醒

降低功耗的一项重要技术是在设备不使用时关闭设备的显示和控制接口，然后将整个系统置于睡眠模式。界面设计的一个关键要素是系统在睡眠和活动模式之间转换时对用户的响应程度（即它可以多快唤醒）。使用基于电容感应的系统，当系统处于睡眠状态时，没有背光向用户指示每个电容式按钮或滑块当前所代表的功能。因此，第一次按下按钮仅限于简单地唤醒系统当接近感应可用时，系统可以检测距离最远一米的用户。此功能允许接近传感器在用户接近或到达设备时唤醒系统，以便系统可以唤醒并且在用户准备按下按钮时显示器可以完全起作用。在实际应用中，通过使系统更加智能和友好，这改变了用户与设备交互的方式。例如，诸如汽车立体声或机顶盒之类的设备可以具有黑色面板，其在不使用时从视线“消失”，但是当用户的手靠近时以完全意识打开。

唤醒时间被测量为识别需要唤醒和执行第一条指令之间的时间间隔。唤醒时间取决于许多因素，包括稳压器稳定和模拟建立时间。对于读取电容式或接近式传感器等事件，CPU必须采取的首要措施是模拟测量。如果模拟外设尚未准备好读取，则会增加有效唤醒时间。唤醒时间不仅定义了系统响应性，还影响了电源效率。在唤醒期间，MCU不执行任何工作但仍然消耗功率。因此，较短的唤醒时间可以减少因CPU唤醒而浪费的功率。

为了使评估唤醒时间变得复杂，供应商使用不同的标准来测量唤醒时间。某些MCU唤醒以触发中断服务程序（ISR），并且必须在进行模拟测量之前等待。在这些情况下，唤醒时间是从唤醒事件到相应引脚上有效的MCLK或获取中断向量时测量的。为了获得唤醒时间，相当于在执行第一条代码指令之前进行的测量，开发人员必须在测量中增加几μs/CPU周期。

F99x MCU的唤醒时间已经过速度优化，从睡眠中唤醒2μs的唤醒时间。此外，其模拟建立时间仅为1.7μs，比竞争对手的MCU快15倍。因此，从事件到第一次模拟测量的有效唤醒时间小于4μs，比最接近的竞争对手快7倍。

除了快速响应，F99x MCU还具有业界最低功耗的电容式触摸传感器今天在市场上。它们在1.8至3.6 V的整个工作范围内提供出色的性能（150μA/MHz），以及业界最低功耗的低于1μA的触发唤醒。 14个CDC通道提供超快的40μs采集时间，16位精度，内置平均值以提高可靠性，以及对低频噪声和DC偏移的抗干扰性。 F99x MCU的CDC是目前最快，最灵敏的电容数字转换器，其他具有同等灵敏度的器件的采样时间要长1000多倍。高度可编程的F99x MCU使开发人员能够动态调整有效和无效阈值，以适应不断变化的环境因素，实现卓越的传感可靠性（参见图3）。

图3：开发人员可以动态调整有效和无效阈值适应不断变化的环境因素，提高传感可靠性。

Silicon Labs的QuickSense产品组合包括各种传感设备。除了F99x MCU之外，Silicon Labs的F8xx和F7xx MCU系列还为各种应用提供先进的电容式感应功能，最佳性能，高效功耗和低成本。对于接近感应，开发人员可以使用Silicon Labs的Si114x红外接近和环境光传感器。这些接近感应设备提供省电，单脉冲技术和无触摸手势支持。 Silicon Labs的红外接近传感器是市场上速度最快的传感器件，提供最长的传感范围而不会降低功耗或效率。

高级开发环境

随着嵌入式应用程序不断变得越来越复杂，设计强大的实现不仅需要经过验证的硬件，还需要生产就绪的软件和世界一流的开发工具。为了帮助开发人员，Silicon Labs提供了QuickSense Studio，这是一套全面的硬件，软件和开发工具，使开发人员能够快速，轻松地将电容和接近感应引入任何应用。

从应用角度来看，无论是电容还是接近传感器可以被认为是系统的简单输入。通过API抽象实现，开发人员可以访问用户交互，无论其来源如何，都可以轻松映射到特定功能的触摸或手势事件，从而大大简化应用程序和界面开发。易于使用的基于GUI的QuickSense配置向导通过生成所需的所有应用程序配置代码和固件驱动程序来加速开发，消除了开发人员理解或编写用于监视传感器的MCU外围设备的任何低级代码的需要。经过行业验证的固件可管理不同的电容式接口选项 - 包括触摸按钮，滑块和滚轮 - 以及电容式接近传感器。开发人员可以完全控制重要的传感器特性，如灵敏度，操作阈值，响应速度和代码大小。

QuickSense Studio还可自动校准传感器并提供全面的调试和性能分析功能，以确保设计具有响应性和稳健性。例如，即使几个开关的尺寸和形状相同，它们在PCB上的位置也会影响它们的有源和无源状态电容，因为它们靠近其他导电元件，接地层以及存在电气干扰。每个开关都需要在开发或生产过程中进行校准，并将结果编程到闪存中。此外，如果温度，湿度，电源电压和污染物等环境因素的影响足够大，不正确的测量可能会导致错误的传感器事件。 QuickSense Studio通过定期重新配置自身，使系统能够考虑这些因素的动态特性。

QuickSense Studio是市场上唯一支持电容和接近感应的开发工具，使开发人员能够使用单个设计完整的用户界面发展环境。除配置向导外，QuickSense Studio还可加速以下设计：

红外接近感应

环境光感应

电容式按钮和滑块

电容式接近感应

复杂算法

手势识别

MCU控制和通信

电容式触摸屏