一种低功耗触摸按键应用的设计方法

一种低功耗触摸按键应用的设计方法

引言
     触摸式按键随着iPod等消费类电子的流行而迅速发展，这一方面因为相关技术的不断进步，可以提供更加稳定的性能；另一方面也因为同类电子产品的基本功能趋同，生产商更加关注如何为用户提供舒适、便捷、具有创意的人机交互界面。在这一点上，与传统机械式按键相比，触摸式按键有着其无法比拟的巨大优势。
      现有市场上的触摸式按键方案，其工作原理都是检测手指触摸引起的电路微小变化量，进而将其转化为逻辑上的按键开关操作。在诸多检测方法中，又以电容式检测居多，这种检测方法在扫描时需对电容的充放电，因此不可避免会增加产品功耗。对于一些功耗敏感的应用来说，如何实现低功耗的触摸按键是关键技术环节。
      Cypress作为电容式触摸按键芯片领域的领导者，一直致力提供高效、可靠、贴近用户需求的芯片与解决方案。本文即基于Cypress的CY8C22x45系列芯片，介绍了一种低功耗触摸按键应用设计方法。
2.低功耗设计方法
   如图 1所示，对于电容式触摸按键，手指的触摸会改变感应电容Cx，当检测电路对Cx充放电时，Cx值的变化会引起电路信号变化，通过一定的检测电路可以测量出该变化，从而判断手指是否存在。不过，系统整体功耗因为频繁的扫描Cx的大小而增加。

 
 对于输入电压一定的系统来说，其功耗主要取决于平均工作电流，即
Powerave = Vdd * Iave[2]         公式1
其中，Vdd是系统工作电压，Iave是系统平均工作电流。从公式1中可以看出，系统的功耗由系统的平均工作电流决定。降低平均工作电流的方法通常有两种：第一种是在不改变系统有效工作时间的前提下降低系统的工作电流；第二种减少系统的有效工作时间，增加系统的休眠时间。往往只采用第一种办法不能将平均工作电流降低到一个理想的水平，所以需要结合第二种的方法。在触摸按键系统的实际工作中将，相当一部分时间系统处于无任何按键按下的空闲状态。在这段时间内可以用软件将系统配置为休眠模式。触摸按键芯片一般都提供休眠模式，该模式具有很低工作电流。因此，如果能够合理安排系统工作时间，令其空闲时进入休眠模式，就可降低平均工作电流，从而减少系统功耗。

图 2是一个具有休眠功能的典型系统软件流程图。

系统初始化后进入休眠模式，经过一段时间的延时后唤醒扫描按键模块，进行按键扫描。如果有按键按下，软件判断是否有效。如果无效按键按下，那么系统继续进入休眠模式。如果软件判断按键有效，那么唤醒系统，触发任务处理进程。当处理完所有任务后，系统又重新进入休眠状态。这是个典型的具有休眠功能的系统工作流程图，它的优点就是此软件流程简单易懂、容易实现，一般可以满足大多数场合的应用。但是，如果系统任务处理消耗了较多的CPU处理时间，那么为了达到目标平均工作电流，就需要相应增加休眠时间。同时降低了按键扫描的频率，从而加长了系统唤醒的响应时间。因此，此方法适合比较简单的、系统任务不复杂的应用。
图 3是一个具有休眠功能的复杂系统软件流程图。
 

此方法是将以上方法中的任务处理进行分解，分为触发新任务，处理任务。目的就是减小在每个循环周期内部执行任务的所花费的CPU资源。与上一个方法的不同在于：系统唤醒扫描按键程序，当判断按键有效时，触发新任务，并不是将所有的任务处理完毕。在当前的循环周期内，触发的新任务可能没有处理完毕，需要下一个或者更多个系统循环的时间才可以完成。当判断按键无效时，不是马上进入休眠模式，而是判断是否有没有处理完毕的任务。如果有则继续处理；如果没有则进入休眠模式。此方法可以处理比较复杂的任务，能满足更多应用领域的需求。
如果没有有效按键触发，那么系统工作在最大的省电模式。不论哪种方法，系统平均工作电流可由公式2计算得出。
Iave =(Tscan * Iscan + Tsleep * Isleep) / (Tscan + Tsleep)        公式2
 其中，Tscan是一次扫描按键所需时间，Iscan是按键扫描时的工作电流，Tsleep是休眠时间，Isleep是休眠时的工作电流。Isleep会远远小于Iscan。一般来说，为了保证一定的按键灵敏度，Iscan可调整的空间有限，因此较快的扫描速度，较小的休眠电流，较长的睡眠时间是降低系统功耗的关键。
在实际设计中，考虑的因素更为复杂，除了上述之外，还需考虑按键的响应时间和按键的灵敏度、等。最大休眠时间决定了系统的响应时间，对于相同的Iave，Iscan和Isleep，较长的Tscan会引起Tsleep的增加，从而无法满足系统的响应时间；如果减少扫描时间，可能会无法有效减少系统噪声影响，降低信噪比，影响按键的灵敏度。因此，低功耗触摸系统设计需要灵敏，可靠，快速的触摸按键扫描技术。
3. 基于CY8C22x45的低功耗设计实例
Cypress的CY8C22x45系列PSoC®芯片可以有效的实现上述目标。该系列芯片内部包含一个独立硬件实现的CapSense触摸按键扫描模块CSD2X[3]，最多可以扫描37个触摸按键。该模块具有两个硬件扫描通道，可以同时完成位于两个通道上一对按键的扫描，提高了按键扫描速度。该模块包含内置的Cx充电电路，结合Cypress的按键基线算法[4]，可以在快速扫描按键的同时，有效降低噪声影响。

此外，该系列PSoC®芯片包含8个数字模块和6个模拟模块，提供最多38个通用I/O, 16Kbyte Flash，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上资源，包括10位SAR ADC，电压参考源(VDAC)，I2C通信模块，硬件实时时钟(RTC)[5]。硬件实现的触摸按键扫描模块和丰富的数字、模拟模块资源，使得可以用一块CY8C22x45芯片实现触摸按键功能和系统主控操作。
CY8C22x45系列芯片休眠时的工作电流仅有3 uA[5]，芯片内包含一个休眠计数器，系统进入休眠后计数器开始递减，当计数值为零时产生中断唤醒系统。唤醒系统后可以不做任何处理再次进入休眠模式。这样周而复始，达到所需要的整个休眠时间。在实际设计中，常常使用平均休眠电流替代公式2中的Isleep，即在每次休眠结束后，仅让系统正常工作最短时间，该时间内完成所有必须操作（仅是一次循环判断），此时的电流即为该休眠时间下的平均休眠电流。表 1 列出了常用休眠时间的平均休眠电流。
表 1 常用休眠时间的平均休眠电流

图 4是一个触摸按键应用中一次典型的按键波形，每个按键按下后，系统都需输出对应的电压值以供其他系统检测。该应用要求响应时间小于等于40ms，当按键被长按时，需要一直输出按键电压，即使按键释放后，仍需250 ms时间保持原有按键电压，之后停止输出按键电压，进入空闲状态。系统共包含12个触摸按键，当多个按键被同时按下时，系统不响应。系统低功耗设计要求为，系统待机时没有按键操作的平均电流应至少小于1 mA。

使用示波器可以测出系统扫描12个按键所需时间大约为1.388 ms。同时，可以测量到正常工作状态下系统的工作电流大约为6mA。根据公式2以及表 1，若一次休眠1.92 ms，需要连续休眠5次（9.6 ms），才可以得到低于1mA的平均待机电流，约为0.875mA；若一次休眠15.6 ms，休眠一次即可满足要求，平均待机电流约为0.52mA。实际工程中采用了第二种休眠方式，实际测量到的平均待机电流值为0.565mA，与计算值相近。
4. 降低功耗和唤醒方式的进一步讨论
以上实例中系统的平均待机电流是0.565mA，虽然这个功耗满足了系统的设计要求，但是在很多使用电池供电的场合是不行的。这是因为在待机时，系统扫描全部12个按键，用去了1.388ms的时间。如果能减小扫描按键的时间，那么还能够降低系统的待机功耗。
 固定按键唤醒系统
采用固定按键的方式唤醒系统能有效的降低系统扫描按键的时间。系统无需扫描所有的按键，只需扫描固定的一个按键，这可以大大降低在待机状态下扫描按键的时间。以上述的应用为例，CY8C22x45系列PSoC支持双通道并行扫描，12个按键均匀分布在两个通道上，因此扫描一个按键约为0.231 ms。 如果休眠15.6 ms， 可以计算出此时平均待机电流只有0.113 mA，相比之前的0.52 mA的计算值，仅是其21%。如果休眠时间增加至40ms， 从表 1可以推算出此时平均休眠电流约为9 uA， 此时计算出平均待机电流仅为0.043 mA。
 任意按键唤醒系统
如果系统要求任意按键唤醒系统，那么以上介绍的固定按键唤醒系统方法不能满足。Cypress特有的内部模拟总线的方式，可以将全部的按键组合成一个“大按键”。这样系统待机时，只需要对这个“大按键”扫描一次，就能判断是否有手指触摸到任何按键上。不论任何一个按键被手指触摸，都可以唤醒系统。系统唤醒后，将“大按键”分解，进行正常的按键扫描处理，区分哪个按键按下，进行任务处理。使用这种方法，系统的待机平均电流与使用固定按键唤醒系统的方法相同。
 手指接近唤醒系统
手指接近唤醒系统是Cypress的一项成熟的技术。此方法是建立在任意按键唤醒系统方法基础之上的。在系统待机时，也是使用一个“大按键”进行扫描。与上个方法不同的地方在于：不是当手指触摸到键盘时唤醒系统，而是当手指靠近键盘时就唤醒系统。系统唤醒后立即将“大按键”分解为正常按键，进行按键扫描。相对于任意按键唤醒系统方法，这种方法能加快系统对按键的相应速度，还可以使产品增加丰富的功能特性。
5. 结语
 应用Cypress的CY8C22x45系列芯片以及独有的CapSense技术，设计者可以用更快的时间扫描大量按键，用更长的时间让系统休眠，结合其较低的休眠电流，在保证系统可靠性能的同时，可以实现较低的待机功耗，为触摸按键应用的低功耗设计提供了一种良好的解决方案。

此外，该系列PSoC®芯片包含8个数字模块和6个模拟模块，提供最多38个通用I/O, 16Kbyte Flash，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上资源，包括10位SAR ADC，电压参考源(VDAC)，I2C通信模块，硬件实时时钟(RTC)[5]。硬件实现的触摸按键扫描模块和丰富的数字、模拟模块资源，使得可以用一块CY8C22x45芯片实现触摸按键功能和系统主控操作。
CY8C22x45系列芯片休眠时的工作电流仅有3 uA[5]，芯片内包含一个休眠计数器，系统进入休眠后计数器开始递减，当计数值为零时产生中断唤醒系统。唤醒系统后可以不做任何处理再次进入休眠模式。这样周而复始，达到所需要的整个休眠时间。在实际设计中，常常使用平均休眠电流替代公式2中的Isleep，即在每次休眠结束后，仅让系统正常工作最短时间，该时间内完成所有必须操作（仅是一次循环判断），此时的电流即为该休眠时间下的平均休眠电流。表 1 列出了常用休眠时间的平均休眠电流。
表 1 常用休眠时间的平均休眠电流

图 4是一个触摸按键应用中一次典型的按键波形，每个按键按下后，系统都需输出对应的电压值以供其他系统检测。该应用要求响应时间小于等于40ms，当按键被长按时，需要一直输出按键电压，即使按键释放后，仍需250 ms时间保持原有按键电压，之后停止输出按键电压，进入空闲状态。系统共包含12个触摸按键，当多个按键被同时按下时，系统不响应。系统低功耗设计要求为，系统待机时没有按键操作的平均电流应至少小于1 mA。

使用示波器可以测出系统扫描12个按键所需时间大约为1.388 ms。同时，可以测量到正常工作状态下系统的工作电流大约为6mA。根据公式2以及表 1，若一次休眠1.92 ms，需要连续休眠5次（9.6 ms），才可以得到低于1mA的平均待机电流，约为0.875mA；若一次休眠15.6 ms，休眠一次即可满足要求，平均待机电流约为0.52mA。实际工程中采用了第二种休眠方式，实际测量到的平均待机电流值为0.565mA，与计算值相近。
4. 降低功耗和唤醒方式的进一步讨论
以上实例中系统的平均待机电流是0.565mA，虽然这个功耗满足了系统的设计要求，但是在很多使用电池供电的场合是不行的。这是因为在待机时，系统扫描全部12个按键，用去了1.388ms的时间。如果能减小扫描按键的时间，那么还能够降低系统的待机功耗。
 固定按键唤醒系统
采用固定按键的方式唤醒系统能有效的降低系统扫描按键的时间。系统无需扫描所有的按键，只需扫描固定的一个按键，这可以大大降低在待机状态下扫描按键的时间。以上述的应用为例，CY8C22x45系列PSoC支持双通道并行扫描，12个按键均匀分布在两个通道上，因此扫描一个按键约为0.231 ms。 如果休眠15.6 ms， 可以计算出此时平均待机电流只有0.113 mA，相比之前的0.52 mA的计算值，仅是其21%。如果休眠时间增加至40ms， 从表 1可以推算出此时平均休眠电流约为9 uA， 此时计算出平均待机电流仅为0.043 mA。
 任意按键唤醒系统
如果系统要求任意按键唤醒系统，那么以上介绍的固定按键唤醒系统方法不能满足。Cypress特有的内部模拟总线的方式，可以将全部的按键组合成一个“大按键”。这样系统待机时，只需要对这个“大按键”扫描一次，就能判断是否有手指触摸到任何按键上。不论任何一个按键被手指触摸，都可以唤醒系统。系统唤醒后，将“大按键”分解，进行正常的按键扫描处理，区分哪个按键按下，进行任务处理。使用这种方法，系统的待机平均电流与使用固定按键唤醒系统的方法相同。
 手指接近唤醒系统
手指接近唤醒系统是Cypress的一项成熟的技术。此方法是建立在任意按键唤醒系统方法基础之上的。在系统待机时，也是使用一个“大按键”进行扫描。与上个方法不同的地方在于：不是当手指触摸到键盘时唤醒系统，而是当手指靠近键盘时就唤醒系统。系统唤醒后立即将“大按键”分解为正常按键，进行按键扫描。相对于任意按键唤醒系统方法，这种方法能加快系统对按键的相应速度，还可以使产品增加丰富的功能特性。
5. 结语
 应用Cypress的CY8C22x45系列芯片以及独有的CapSense技术，设计者可以用更快的时间扫描大量按键，用更长的时间让系统休眠，结合其较低的休眠电流，在保证系统可靠性能的