《電子技術應用》
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一種低功耗觸摸按鍵應用的設計方法
摘要: 觸摸式按鍵隨著iPod等消費類電子的流行而迅速發(fā)展,這一方面因為相關技術的不斷進步,可以提供更加穩(wěn)定的性能;另一方面也因為同類電子產品的基本功能趨同,生產商更加關注如何為用戶提供舒適、便捷、具有創(chuàng)意的人機交互界面。在這一點上,與傳統(tǒng)機械式按鍵相比,觸摸式按鍵有著其無法比擬的巨大優(yōu)勢。
Abstract:
Key words :

        引言

  觸摸式按鍵隨著iPod等消費類電子的流行而迅速發(fā)展,這一方面因為相關技術的不斷進步,可以提供更加穩(wěn)定的性能;另一方面也因為同類電子產品的基本功能趨同,生產商更加關注如何為用戶提供舒適、便捷、具有創(chuàng)意的人機交互界面。在這一點上,與傳統(tǒng)機械式按鍵相比,觸摸式按鍵有著其無法比擬的巨大優(yōu)勢。

  現(xiàn)有市場上的觸摸式按鍵方案,其工作原理都是檢測手指觸摸引起的電路微小變化量,進而將其轉化為邏輯上的按鍵開關操作。在諸多檢測方法中,又以電容式檢測居多,這種檢測方法在掃描時需對電容的充放電,因此不可避免會增加產品功耗。對于一些功耗敏感的應用來說,如何實現(xiàn)低功耗的觸摸按鍵是關鍵技術環(huán)節(jié)。

  Cypress作為電容式觸摸按鍵芯片領域的領導者,一直致力提供高效、可靠、貼近用戶需求的芯片與解決方案。本文即基于Cypress的CY8C22x45系列芯片,介紹了一種低功耗觸摸按鍵應用設計方法。

  2.低功耗設計方法

  如圖1所示,對于電容式觸摸按鍵,手指的觸摸會改變感應電容Cx,當檢測電路對Cx充放電時,Cx值的變化會引起電路信號變化,通過一定的檢測電路可以測量出該變化,從而判斷手指是否存在。不過,系統(tǒng)整體功耗因為頻繁的掃描Cx的大小而增加。
 



  對于輸入電壓一定的系統(tǒng)來說,其功耗主要取決于平均工作電流,即

  Powerave=Vdd*Iave[2]公式1

  其中,Vdd是系統(tǒng)工作電壓,Iave是系統(tǒng)平均工作電流。從公式1中可以看出,系統(tǒng)的功耗由系統(tǒng)的平均工作電流決定。降低平均工作電流的方法通常有兩種:第一種是在不改變系統(tǒng)有效工作時間的前提下降低系統(tǒng)的工作電流;第二種減少系統(tǒng)的有效工作時間,增加系統(tǒng)的休眠時間。往往只采用第一種辦法不能將平均工作電流降低到一個理想的水平,所以需要結合第二種的方法。在觸摸按鍵系統(tǒng)的實際工作中將,相當一部分時間系統(tǒng)處于無任何按鍵按下的空閑狀態(tài)。在這段時間內可以用軟件將系統(tǒng)配置為休眠模式。觸摸按鍵芯片一般都提供休眠模式,該模式具有很低工作電流。因此,如果能夠合理安排系統(tǒng)工作時間,令其空閑時進入休眠模式,就可降低平均工作電流,從而減少系統(tǒng)功耗。

  圖2是一個具有休眠功能的典型系統(tǒng)軟件流程圖。
 



  系統(tǒng)初始化后進入休眠模式,經過一段時間的延時后喚醒掃描按鍵模塊,進行按鍵掃描。如果有按鍵按下,軟件判斷是否有效。如果無效按鍵按下,那么系統(tǒng)繼續(xù)進入休眠模式。如果軟件判斷按鍵有效,那么喚醒系統(tǒng),觸發(fā)任務處理進程。當處理完所有任務后,系統(tǒng)又重新進入休眠狀態(tài)。這是個典型的具有休眠功能的系統(tǒng)工作流程圖,它的優(yōu)點就是此軟件流程簡單易懂、容易實現(xiàn),一般可以滿足大多數(shù)場合的應用。但是,如果系統(tǒng)任務處理消耗了較多的CPU處理時間,那么為了達到目標平均工作電流,就需要相應增加休眠時間。同時降低了按鍵掃描的頻率,從而加長了系統(tǒng)喚醒的響應時間。因此,此方法適合比較簡單的、系統(tǒng)任務不復雜的應用。

  圖3是一個具有休眠功能的復雜系統(tǒng)軟件流程圖。
 



  此方法是將以上方法中的任務處理進行分解,分為觸發(fā)新任務,處理任務。目的就是減小在每個循環(huán)周期內部執(zhí)行任務的所花費的CPU資源。與上一個方法的不同在于:系統(tǒng)喚醒掃描按鍵程序,當判斷按鍵有效時,觸發(fā)新任務,并不是將所有的任務處理完畢。在當前的循環(huán)周期內,觸發(fā)的新任務可能沒有處理完畢,需要下一個或者更多個系統(tǒng)循環(huán)的時間才可以完成。當判斷按鍵無效時,不是馬上進入休眠模式,而是判斷是否有沒有處理完畢的任務。如果有則繼續(xù)處理;如果沒有則進入休眠模式。此方法可以處理比較復雜的任務,能滿足更多應用領域的需求。

  如果沒有有效按鍵觸發(fā),那么系統(tǒng)工作在最大的省電模式。不論哪種方法,系統(tǒng)平均工作電流可由公式2計算得出。

  Iave=(Tscan*Iscan+Tsleep*Isleep)/(Tscan+Tsleep)公式2

  其中,Tscan是一次掃描按鍵所需時間,Iscan是按鍵掃描時的工作電流,Tsleep是休眠時間,Isleep是休眠時的工作電流。Isleep會遠遠小于Iscan。一般來說,為了保證一定的按鍵靈敏度,Iscan可調整的空間有限,因此較快的掃描速度,較小的休眠電流,較長的睡眠時間是降低系統(tǒng)功耗的關鍵。
在實際設計中,考慮的因素更為復雜,除了上述之外,還需考慮按鍵的響應時間和按鍵的靈敏度、等。最大休眠時間決定了系統(tǒng)的響應時間,對于相同的Iave,Iscan和Isleep,較長的Tscan會引起Tsleep的增加,從而無法滿足系統(tǒng)的響應時間;如果減少掃描時間,可能會無法有效減少系統(tǒng)噪聲影響,降低信噪比,影響按鍵的靈敏度。因此,低功耗觸摸系統(tǒng)設計需要靈敏,可靠,快速的觸摸按鍵掃描技術。

 

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