- 電容式感測(cè)技術(shù)在手機(jī)觸摸屏的應(yīng)用
- 建立噪聲預(yù)算
- 移動(dòng)意味著低功率
- 運(yùn)用可編程解決方案
電容式感測(cè)用戶界面正作為手機(jī)中機(jī)械按鍵的一種實(shí)用的創(chuàng)新替代方案脫穎而出。雖然電容式傳感器可被視作傳統(tǒng)按鍵的簡(jiǎn)易替代方案，但該技術(shù)不僅僅是半球型開關(guān)的一種升級(jí)。當(dāng)手機(jī)采用觸摸式傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，手機(jī)制造商在設(shè)計(jì)中可獲得一種令人激動(dòng)的嶄新的外觀感覺(jué)選擇。
利用電容式傳感器，手機(jī)按鍵，即鍵墊(key mat)，無(wú)需移動(dòng)式元件就可以實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)形成平順光滑的接觸表面。此外，設(shè)計(jì)人員還可在機(jī)械按鍵頂端選用電容式感測(cè)，輕按會(huì)觸發(fā)電容式傳感器，重按則激活機(jī)械開關(guān)。
整合了這種技術(shù)的手機(jī)不僅能感測(cè)手指的位置，還能感測(cè)到手指對(duì)按鍵施加壓力的輕重。輕按可能與電話號(hào)碼簿翻頁(yè)有關(guān)，重按則可能是往選定號(hào)碼撥打電話。
近年來(lái)手機(jī)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的最引人注目的趨勢(shì)之一是電容式傳感器和透明導(dǎo)體的結(jié)合。這種透明鍵墊為設(shè)計(jì)人員提供了許多具創(chuàng)造性的選擇。
電容式感測(cè)的SNR基準(zhǔn)推薦
在手機(jī)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)健的電容式感測(cè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于獲得大的信噪比(SNR)。在電子通信和其它工程領(lǐng)域，SNR一般以分貝表示。但在手指感測(cè)應(yīng)用中，不建議采用dB作為SNR的測(cè)量單位，因?yàn)閷?duì)它的計(jì)算方法還不確定?；诠β实膁B公式是10 ? log(P2/P1)，基于電壓幅度的公式是20 ? log(V2/V1)，但究竟哪一個(gè)公式更適合于觸摸應(yīng)用尚不清楚。此外，在“觸摸的分貝數(shù)”的解釋方面也存在著混淆。為了避免這些問(wèn)題，Cypress 半導(dǎo)體公司采用一種簡(jiǎn)單的比率作為電容式感測(cè)SNR的首選基準(zhǔn)。Cypress給出的最佳實(shí)踐指南是信號(hào)比噪聲至少大5倍。按照工程術(shù)語(yǔ)，就是最小SNR 為5:1。
如何測(cè)量SNR
觸摸傳感器應(yīng)用中的SNR根據(jù)傳感器輸出端的計(jì)數(shù)值來(lái)測(cè)定。比如，傳感器上沒(méi)有手指時(shí)峰峰噪聲為8。當(dāng)手指放在傳感器上時(shí)，獲得的信號(hào)是 118，則SNR為118:8，約為15:1。
SNR的測(cè)量應(yīng)該考慮到最好情況和最壞情況。最好情況是指較大的手指放在傳感器墊片中心。最壞情況是較小的手指偏離中心放置。在手機(jī)系統(tǒng)的早期開發(fā)中，利用真實(shí)的手指來(lái)測(cè)試是一種可接受的方法。若開發(fā)人員希望測(cè)試更加與操作者無(wú)關(guān)，并且可重復(fù)，可以用金屬盤或棒來(lái)代替真實(shí)手指。
由于覆蓋膜(overlay)厚度會(huì)削弱信號(hào)強(qiáng)度，因此，較穩(wěn)妥的辦法是系統(tǒng)開發(fā)時(shí)采用比預(yù)計(jì)稍厚的覆蓋膜。為避免較高級(jí)固件的屏蔽效應(yīng)，利用原始的未壓縮的傳感器計(jì)數(shù)值來(lái)測(cè)量SNR。當(dāng)沒(méi)有手指觸摸時(shí)，關(guān)斷任何讓傳感器輸出歸零的自補(bǔ)償或自動(dòng)校準(zhǔn)功能。
圖1: 手指壓力決定信號(hào)和噪音的構(gòu)成。
建立噪聲預(yù)算
管理電容式傳感器性能的方法之一是建立噪聲預(yù)算，這包括列出可能降低系統(tǒng)SNR的噪聲源。對(duì)于手機(jī)，這些噪聲源有內(nèi)部IC噪聲、RF噪聲和交流線路噪聲。估算每一個(gè)噪聲源對(duì)傳感器計(jì)數(shù)值的影響。把這些計(jì)算值加上額外施加的計(jì)數(shù)值的總和作為設(shè)計(jì)余量，將會(huì)使SNR大于5:1。
手機(jī)本身就產(chǎn)生了一個(gè)RF能量很高的環(huán)境，這對(duì)系統(tǒng)的影響可能大于往系統(tǒng)里增加少量噪聲計(jì)數(shù)。電容式傳感器靠近RF發(fā)射器工作帶來(lái)的問(wèn)題是，傳感器的線跡相當(dāng)于有效天線。大量RF能量與控制器IC的耦合可能在傳感器系統(tǒng)中導(dǎo)致不良后果，造成觸摸感測(cè)的失敗。這種潛在問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單解決方案是利用串聯(lián)電阻來(lái)抑制諧振。數(shù)百歐姆的電阻和傳感器的輸入串聯(lián)，并盡可能靠近控制IC的引腳放置，足以防止這類問(wèn)題的發(fā)生。
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移動(dòng)意味著低功率
對(duì)手機(jī)而言，電容式感測(cè)解決方案的功耗必需很低。對(duì)于電池供電的移動(dòng)設(shè)備而言，低功率的目標(biāo)要求控制器向主控器件報(bào)告的速度不應(yīng)該過(guò)快，對(duì)傳感器的掃描時(shí)間也不應(yīng)該過(guò)長(zhǎng)，若無(wú)其它事件待處理時(shí)應(yīng)該進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵是把傳感器有效掃描和處理數(shù)據(jù)時(shí)流經(jīng)的平均電流降至最低。平均電流可以通過(guò)簡(jiǎn)單的有功電流和睡眠電流的時(shí)間加權(quán)平均計(jì)算來(lái)求得，故掃描之間控制器的睡眠時(shí)間越長(zhǎng)，電池壽命越長(zhǎng)。
長(zhǎng)睡眠時(shí)間間隔的一個(gè)實(shí)際限制是系統(tǒng)的延遲，亦即觸摸事件和系統(tǒng)對(duì)觸摸的響應(yīng)之間的遲滯。在非技術(shù)性用戶看來(lái)，大的延遲表現(xiàn)為按鍵的反應(yīng)遲緩。極端而言，極長(zhǎng)的睡眠時(shí)間間隔會(huì)導(dǎo)致按鍵一段時(shí)間失效。
在手機(jī)設(shè)計(jì)中，解決上述問(wèn)題在于在傳感器快速響應(yīng)和低功耗之間找到一個(gè)良好的平衡點(diǎn)。對(duì)于手機(jī)設(shè)計(jì)，30-50ms的延遲是個(gè)不錯(cuò)的目標(biāo)。要把功耗降到更低，如果很長(zhǎng)時(shí)間都沒(méi)有用戶輸入，開發(fā)人員常常讓傳感器進(jìn)入更長(zhǎng)延遲模式。這種較慢的掃描模式，被稱為待機(jī)模式，有100ms或更長(zhǎng)的延遲。一旦出現(xiàn)用戶輸入，系統(tǒng)立即進(jìn)入有效掃描模式，按鍵響應(yīng)速度更快。
下面的實(shí)例計(jì)算顯示了在一個(gè)帶有12個(gè)傳感器的手機(jī)設(shè)計(jì)中，如何在待機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)低至33mA的平均電流。掃描時(shí)間設(shè)為每傳感器 0.5ms(t1 = 0.5×12= 6ms)。待機(jī)模式下的報(bào)告速率為100ms，故睡眠時(shí)間間隔設(shè)置為94ms (t2= 100?C6ms)。睡眠電流和有功電流可在控制器IC數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到(ISleep=3?A，IActive=1,500?A)。把這些參數(shù)代入平均電流IAVE計(jì)算公式，可求得平均電流為93?A。
如果待機(jī)模式下只有一部分傳感器被掃描，那么平均電流可能更低。把12個(gè)傳感器分為3個(gè)一組，可減少掃描時(shí)間 (t1=0.5×12/3=2ms)。這種情況下，平均電流降至33?A。
機(jī)械方面的考慮事項(xiàng)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，機(jī)械層疊是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)槭謾C(jī)的外殼日趨纖薄。事實(shí)上，傳感器線跡布局不佳和覆蓋膜材料厚度過(guò)大是手機(jī)中SNR偏低的主要原因。
電路板一般是柔性電路，在某些情況下，也有可能是一種很薄的剛性板。電路板通過(guò)絕緣粘合膜的薄層被安裝在覆蓋膜上，從而提高了從傳感器到覆蓋膜的電場(chǎng)耦合。該粘合層還形成了一個(gè)能夠?qū)κ种篙p壓和重壓都穩(wěn)定響應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)。1-3mm的覆蓋膜厚度是比較理想的，這樣可在不過(guò)度削弱電容式感測(cè)信號(hào)的情況下為手機(jī)提供所需的封裝機(jī)械強(qiáng)度。
圖2: 手機(jī)電容傳感器的機(jī)械層疊截面圖。
可編程解決方案
進(jìn)入編程階段時(shí)，系統(tǒng)控制器有多種選擇。在專用器件方面是只負(fù)責(zé)掃描傳感器和輸出數(shù)據(jù)的固定功能器件。在高度集成及靈活的器件方面，是可以執(zhí)行大范圍電容感測(cè)功能的可編程感測(cè)器件，包括按鍵、滑標(biāo)、觸摸板和接近度傳感器。
此外，這種靈活性還可以簡(jiǎn)化最后一分鐘的設(shè)計(jì)變化，并支持一般由一個(gè)或多個(gè)器件完成的非電容式感測(cè)功能。例如，手機(jī)可能需要多項(xiàng)功能，包括利用鍵墊完成的電容式感測(cè)、通過(guò)光電二極管進(jìn)行的環(huán)境光感測(cè)、經(jīng)由加速計(jì)實(shí)現(xiàn)的傾斜感測(cè)，以及當(dāng)手機(jī)設(shè)置為振動(dòng)模式時(shí)小型電機(jī)運(yùn)行所需的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。所有這些功能都能夠通過(guò)用C語(yǔ)言開發(fā)的靈活軟件集成到單芯片中。
讓我們以下列情景為例，來(lái)看看一個(gè)可編程方案所帶來(lái)的價(jià)值。由于所有感測(cè)和控制功能都由軟件控制，故有可能把電容式傳感器配置為在低功率待機(jī)模式下的接近度檢測(cè)，也可能把同一個(gè)傳感器配置為正常工作模式下的觸摸傳感器。在待機(jī)模式下，接近度傳感器掃描手指是否出現(xiàn)在上述任何電容式傳感器上方1或 2cm的區(qū)域。
當(dāng)感測(cè)到有手指接近時(shí)，傳感器可由軟件重配置，讓觸摸感測(cè)功能取代接近度感測(cè)功能。手機(jī)將繼續(xù)工作在這種模式下，直到用戶停止和電容式傳感器的交互。這時(shí)，接近度傳感器把手機(jī)設(shè)置回待機(jī)模式。
透明電容
手機(jī)中觸摸感測(cè)的最新趨勢(shì)是在玻璃或塑料膜上使用氧化銦錫(ITO)。ITO是一種導(dǎo)電材料，作為薄膜運(yùn)用時(shí)是透明的。這種材料已在電阻式觸摸屏中使用多年?，F(xiàn)在，微控制器的最新發(fā)展成果又使電容式觸摸屏成為可能。電阻式觸摸屏由于依賴觸摸表面的機(jī)械變形，故很容易損壞，需要更換。而電容式ITO觸摸屏不需要機(jī)械變形來(lái)實(shí)現(xiàn)。電容式ITO觸摸屏超越標(biāo)準(zhǔn)電阻式觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)之一就是摒棄了這種易發(fā)生故障的機(jī)械模式。
