簡介

先進傳感器人機界面比傳統(tǒng)的機械式界面更可靠，因為它們沒有與按鍵和轉盤相連的活動部件，這些部件隨著時間的推移更易失效?；趥鞲衅鞯目刂泼姘搴惋@示器也變得更加靈活，允許單套控制組件根據應用程序環(huán)境重新配置，以便客戶在現有功能的基礎上實現自己的應用。手勢識別和“非接觸”技術相結合后，開發(fā)人員可以使設備界面變得更加智能，預測用戶所需、創(chuàng)新使用模式，從而使產品更加友好、直觀易用。固件可以根據市場需求快速方便的靈活調整，從而無需完全重新構建系統(tǒng)或重新設計設備外觀。

新一代人機界面

新產品呼喚新人機界面的產生，從而使自己在市場中脫穎而出。通過使電子設備更了解其運行環(huán)境，新功能增強了易用性、提高功效和降低系統(tǒng)成本。此外，其高靈敏度、低噪音，耐潮濕的特性，即使在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中也能確保其可靠性。

驅動新一代人機界面開發(fā)的兩種主流技術是電容和接近感應。電容感應器通過感應器件的電容值變化判斷使用者的手指的存在。它可實現高級控件，如滑動條和滾輪，并且能更好的識別用戶過去常采用的物理反饋式近距離界面操作，如按下按鈕。接近感應使用紅外線傳感器（利用紅外線反射技術）測量與物體間的距離，最遠可達1米。接近傳感器也可以辨認空中物體，進行“非接觸式”手勢跟蹤。

以上兩種技術相結合能夠對用戶界面進行更好的調控。許多最終用戶已經從一些消費類產品使用中熟悉了電容感應技術，最有代表性的是iPod和iPhone。到目前為止，接近感應通常被用來進行簡單的任務，如手機上的面頰檢測。然而，其應用領域遠非局限于此：

用戶檢測：例如，接近感應可以檢測到最終用戶當前是否在電腦前，并能夠在用戶離開時關閉顯示器?？紤]到LCD背光非常耗電，因此即使是簡單的用戶檢測也能為整個企業(yè)節(jié)省大量能耗。用戶檢測也可以用于USB充電器/驅動器等設備，以便設備可以做好被突然拔出的準備。

無指紋顯示：許多便攜式設備需要用戶觸摸屏幕上的按鈕，遺留的印跡即不利于識別，也很難清除。具有非接觸式界面的便攜式多媒體播放器使用戶在觀看視頻時無需觸摸屏幕。類似的應用包括：使用戶無需觸摸屏幕即可輕松實現電子書翻頁；允許醫(yī)生在手術中直接與觸摸屏系統(tǒng)交互，而無需觸摸電子屏幕。

自動背光控制：接近感應信號通道一部分利用環(huán)境光傳感器（ALS）消除外部光源帶來的噪聲。同樣的傳感器也能夠用于監(jiān)視背景照明條件，自動調整顯示器背光以減少能量消耗。

隱形入侵檢測：可反射射向系統(tǒng)內門表面的紅外光，開發(fā)人員可以實施“隱形”入侵檢測機制，避免具有相同功能的機械開關的不可靠性和損耗。

健康和安全考慮：多媒體信息站(kiosk)、檢驗臺和其他公共計算機存在通過鍵盤和屏幕傳播疾病的風險。例如，在中國的一些地區(qū)，法律規(guī)定電梯控制面板每小時消毒一次，以防止SARS的蔓延。非接觸式面板避免和減輕了這些公共健康所帶來的問題。

移除界面控制

嵌入式設計中的一個趨勢是從主應用處理器中去除用戶界面管理，將其分配給專用的8位微控制器（MCU）。對于應用處理器來說，觸摸是一個相對較慢的動作，使用整個系統(tǒng)去檢測用戶是否移動手指比使用專用8位MCU實現相同功能所消耗的能量要多得多。

電容式觸摸感應MCU，如SiliconLabs的F99x系列產品非常適合用于管理新一代用戶界面。通過為任務提供高達25MHz的運行性能以及最優(yōu)化的外設，F99xMCU提供智能和精確感應所需的處理和輸入能力。與Si11xx接近感應系列產品相結合，開發(fā)者可在單一開發(fā)環(huán)境中實現高效人機界面。

F99xMCU的電容感應性能通過硬件實現的電容數字轉換器（CDC）得到進一步增強。SiliconLabs的CDC包含兩路電流輸入（數字模擬轉換器或DAC）。第一路為可變DAC，用于測量到外部感應電容的電流；第二路是恒定電流源，用于內部參考電容（見圖1）。電容測量使用逐次逼近方（SAR），該高效處理過程消除了直流（DC）偏移帶來的影響，且無需外部組件。

圖1：硬件實現的CDC提供高性能、16位精度、高可靠性和DC偏移抑制—無需外部組件

F99xMCU的16位CDC具有高可靠性和準確性。通過執(zhí)行兩階段外部電容放電，CDC能夠消除放電過程中傳入的環(huán)境噪聲。相比之下，其他方法需要額外的外部元件（例如串聯電阻等）和一個以上I/O/每通道（因而增加了MCU尺寸和布線難度）。

CDC的動態(tài)范圍通過使用可調增益得到進一步提升。同時，動態(tài)范圍也通過以下方式得到增強：減少源電流以改變充電時間；當源電流和串聯阻抗都很高時（例如當使用觸摸面板或ESD保護電容按盤時）更直接反映電容傳感器電壓。更高靈敏度為開發(fā)人員提供更大的信號冗余度，允許他們使用較厚的塑料、更小的電極，即使在嘈雜環(huán)境中仍能確保操作可靠性。CDC也可使用引腳監(jiān)視功能動態(tài)調整轉換時間，消除附近引腳上高電流開關轉換所帶來的干擾?？傊?，CDC具有極好的信噪比（SNR），在典型的電容感應實現中SNR為50-100。

無與倫比的系統(tǒng)響應性

接近傳感采用了紅外線感應器和一個或更多的紅外發(fā)光二極管（LED）。其基本工作原理是通過照亮物體，然后測量反射光的強度。所需LED的數量取決于應用以及是否需要三維信息。例如，紙巾分配傳感器，只需要一個LED來檢測是否有人站在分配器前。為了檢測左/右或上/下的手勢，需要兩個LED。為了支持三維導航，需要三個LED。在每一種情況下，只需一個物理傳感器。然而，每個附加的傳感器增加了識別來自每個LED信號強度的所需處理，并且可利用三角定位方法判斷被檢測對象的位置。

處理也需要過濾接收信號中的噪聲（即背景光）。處理器或嵌入式控制器越強大，所能獲得的采樣值就越多，過濾效果也就越好。增加采樣率提高了系統(tǒng)的分辨率，同時更好的過濾也提高了準確性?？焖俨蓸雍透呔冗^濾需要一個穩(wěn)健的接口，開發(fā)人員必須權衡每一種方法來優(yōu)化其應用。

通常情況下，與低靈敏度光電二極管相關的是擴展采集時間，允許光源（例如熒光燈）閃爍降低精度。SiliconLabs高靈敏度的光電二極管技術—10余年來已在行業(yè)得到驗證—具有良好的抗電磁干擾（EMI）和抗閃爍特性，且能可靠檢測高達50厘米遠的物體，而無需使用外部鏡頭或過濾器。基于穩(wěn)健的光電二極管技術，Si11xx傳感器系列產品可以選擇集成環(huán)境光傳感器。

接近感應子系統(tǒng)的功耗主要是紅外線發(fā)光二極管（LED）。SiliconLabs的QuickSense?開發(fā)環(huán)境可協(xié)助開發(fā)者定義配置參數，優(yōu)化精度、檢測范圍和功耗。例如，高級控制能力允許開發(fā)人員為特定應用和檢測范圍動態(tài)調整LED電流。對于超低功耗操作，開發(fā)者能夠使用創(chuàng)新的單脈沖接近感應最小化LED打開時間，可以使功耗效率最大提高4000倍，如圖2所示。

圖2：QuickSenseMCU具有創(chuàng)新的單脈沖接近傳感，最小化LED打開時間，功耗效率最大提高4000倍降低系統(tǒng)功耗

現在，人們對綠色、節(jié)能型電器日益關注。不僅是便攜式電器，所有電器設備都開始考慮將節(jié)能環(huán)保理念應用于設計中。高效低功耗策略之一是最小化CPU運行時間，最大化系統(tǒng)內盡可能多組件的休眠時間。通過采用下列機制，SiliconLabs降低了電容觸摸感應MCU的整體系統(tǒng)功耗：

背景掃描：即使CPU處于節(jié)能掛起模式時，由于CDC采用硬件實現，因此電容測量通道掃描可以完全自動運行。

自治式自動掃描：僅掃描和轉換活動通道，而不是所有電容感應通道。

通道綁定：使用單一輸入同時掃描多個通道的功耗，低于分別處理多個通道所需的功耗。例如，系統(tǒng)能夠使用單一輸入掃描整個滑動條，如果檢測到任一活動通道被觸摸則喚醒CPU。CPU一旦被喚醒，則分別掃描每個通道，判斷哪個通道被觸摸并開始識別手勢。

集成LDO調節(jié)器：F99xMCU所集成的LDO電壓調節(jié)器提供線性響應，同時維持所有電壓下的恒定、超低有效電流。此外，F99x具備特殊電路，在LDO調節(jié)器處于睡眠模式下時，可以保持RAM內容。

靈活的工作電壓：對于許多MCU而言，當工作電壓降低時CPU也必須在較低頻率下運行。因此增加運行時間和功耗。如果使用AA/AAA電池，即使MCU可在最低2.2V下工作，也會浪費掉20%的電池壽命。由于在25MHz全功能運行條件下工作電壓可降到1.8V，F99x可在不同應用下實現最大化的電池壽命。

大多數MCU旨在優(yōu)化運行或休眠時的功率效率。F99x架構在運行和休眠兩種模式下都具有業(yè)內最低功率（見表1）。內部電源管理單元（PMU）限制了漏電，使運行和休眠模式下的電流不到F99x競爭產品的一半。

*在0.9to1.8V下運行時，通過采用內部升壓轉換器，C8051F99xMCU獲得更大平均功率效率。

表1：F99x運行和休眠模式功耗

快速觸摸喚醒

降低功耗的一個重要方法是關閉不再使用的設備顯示屏和控制界面，并使整個系統(tǒng)處于休眠模式。界面設計的一個關鍵因素是系統(tǒng)在休眠和運行模式之間轉換時系統(tǒng)如何對用戶響應，即如何更快被喚醒。在電容式感應系統(tǒng)中，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時，沒有背光為用戶指示電容按鈕或滑動條的功能。因此，第一次按鍵僅用于喚醒系統(tǒng)

采用接近傳感技術，系統(tǒng)可以檢測最遠位于1米的用戶。這使得用戶在接近或到達設備時，接近傳感器能夠喚醒系統(tǒng)，并在用戶準備按鍵時使顯示器準備就緒。在實際應用中，這改變了用戶與設備進行交互的方式，使得系統(tǒng)更加智能和友好。例如，汽車音響或機頂盒等設備能夠在不使用時關閉控制面板，而當用戶靠近時完全打開。

喚醒時間是指確認喚醒與執(zhí)行首條指令之間的時間間隔。喚醒時間取決于許多因素，包括調節(jié)器穩(wěn)定性和模擬設備建立時間。在讀取電容或接近傳感器時，CPU首先要執(zhí)行的是模擬測量。如果模擬外圍設備還未準備就緒，則會延長有效喚醒時間。喚醒時間不僅影響系統(tǒng)響應，也影響功效。在喚醒期間，MCU不工作但仍然耗電。因此，縮短喚醒時間可以降低CPU喚醒過程中的功耗。

評估喚醒時間比較復雜，不同供應商采用不同的標準測量喚醒時間。有些MCU喚醒會觸發(fā)中斷服務例程（ISR），且必須等待直到模擬檢測完成。在這種情況下，喚醒時間是指從喚醒事件開始時到MCLK在適合的引腳上有效時，或到中斷向量被取指令時。為了在首條代碼指令執(zhí)行前獲得相同喚醒時間，開發(fā)人員必須添加幾個μs/CPU周期到測量中。

F99xMCU喚醒時間已經被優(yōu)化，休眠到喚醒僅需2us。此外，它的模擬設備建立時間僅為1.7us，比競爭對手的MCU快了15倍。因此，從事件發(fā)生到首個模擬測量的有效喚醒時間不到4us，比最接近的競爭對手最高快7倍。

除了快速響應，F99xMCU具有市場上業(yè)內最低功耗的電容式觸摸感應。它們具有在工作電壓范圍1.8-3.6V內150uA/MHz的出色性能，以及不到1uA的業(yè)內最低功耗觸摸喚醒電流。14個CDC通道具有超快速的40us獲取時間、16位精度和內置的平均化處理，增加了可靠性；且對低頻噪聲和DC偏移干擾具有免疫能力。F99xMCU的CDC是當前可用的最快最靈敏的電容數字轉換器，而其他有相同靈敏度的產品需要超過1000倍長的采樣時間。為了實現更高的感應可靠性，高度可編程F99xMCU可使開發(fā)人員能夠動態(tài)調整活動和非活動門限，以適應環(huán)境因素的變化（見圖3）。

圖3：為了實現更高感應可靠性，開發(fā)者可以動態(tài)調整活動和非活動門限以適應環(huán)境因素的變化

SiliconLabs的QuickSense產品組合包括多種的感應器件。除了F99xMCU之外，SiliconLabs的F8xx和F7xxMCU系列產品也為多種應用提供高級的電容感應、最優(yōu)的性能、高效的功耗以及較低的成本。對于接近傳感而言，開發(fā)人員能夠選擇業(yè)內領先的Si1102紅外線接近傳感器或者Si1120紅外線接近感應和環(huán)境光傳感器。兩款器件都支持節(jié)能、單脈沖技術和非接觸式手勢識別。SiliconLabs的紅外線接近傳感器是市場上感應速度最快的感應器件，提供最長的感應距離，且不會降低功效。

高級開發(fā)環(huán)境

隨著嵌入式應用變得日益復雜，設計一個健壯的應用不僅需要經過驗證的硬件，也需要產品化的軟件和一流的開發(fā)工具。為了幫助開發(fā)者，SiliconLabs提供QuickSenseStudio開發(fā)套件，它結合了硬件、軟件和開發(fā)工具，使得開發(fā)人員能夠快速、輕松的把電容和接近感應應用到項目中。

從應用的角度來看，電容和接近傳感器可以被看作系統(tǒng)的簡單輸入。通過API對它們的實現進行抽象處理，開發(fā)人員可以訪問用戶的交互信息，而不考慮它們的來源。觸摸或手勢可以很容易地映射到特定的功能活動，從而大大簡化了應用程序和界面的開發(fā)。易于使用的、基于圖形用戶接口（GUI）的QuickSense配置向導（ConfigurationWizard）通過生成所需的應用程序配置代碼和固件驅動程序加速了開發(fā)進程，開發(fā)人員無需理解或編寫用于監(jiān)視傳感器的MCU外設的底層代碼。業(yè)界驗證的固件控制不同的電容感應接口選項—包括觸摸按鍵、滑動條和滾輪—和電容接近傳感器。開發(fā)人員可以完全控制重要的感應特性，如靈敏度、操作門限、響應速度和代碼大小。

QuickSenseStudio開發(fā)套件也能自動校準傳感器，提供完整的調試和性能分析能力，確保產品設計響應快速、穩(wěn)定可靠。例如，即使有相同尺寸和形狀的開關，若考慮到與其他導電元件的遠近、地平面的影響以及電子干擾的存在，它們在印刷電路板（PCB）上的位置也會影響其活動和非活動狀態(tài)的電容量。在開發(fā)和產品化期間，每個開關都需要校準，并寫入Flash存儲器。此外，如果環(huán)境因素的影響（諸如溫度、濕度、電壓和污染）足夠大，不正確的測量可以導致錯誤的感應事件。QuickSenseStudio開發(fā)套件通過定期重新配置這些環(huán)境因素，以適應它們的動態(tài)特性。

QuickSenseStudio開發(fā)套件是市場上唯一同時支持電容和接近感應的開發(fā)工具，使開發(fā)人員能夠使用單一開發(fā)環(huán)境設計完整的用戶界面。除了配置向導之外，QuickSenseStudio開發(fā)套件也通過以下特性加速產品設計：

紅外線接近感應

環(huán)境光感應

電容按鍵和滑動條

電容式接近感應

復雜算法

手勢識別

MCU控制和通訊

電容式觸摸屏

SiliconLabs也提供多種完整的開發(fā)工具套件，協(xié)助開發(fā)人員把電容和接近感應集成到他們的應用中。這些資源包括完整的無線開發(fā)套件（WDS）、電池壽命評估器、示例代碼和全面的應用筆記。

小結

有效的人機界面需要審美學與創(chuàng)新型電子設備交互方式相結合。在對系統(tǒng)成本和功耗影響較小的前提下，尋求產品差異化的制造商能夠轉向新一代電容和接近感應界面，提供更易使用、更直觀的用戶體驗。通過采用具有電容和接近感應能力的器件，如C8051F99x電容式觸摸感應MCU和Si1120接近傳感器，開發(fā)者能夠快速將新一代手勢和非接觸式界面應用到任意系統(tǒng)，方便的使用業(yè)界成熟的硬件和固件。