使用电容和红外线接近感应开发新一代人机界面

现在，人们对绿色、节能型电器日益关注。不仅是便携式电器，所有电器设备都开始考虑将节能环保理念应用于设计中。高效低功耗策略之一是最小化 CPU运行时间，最大化系统内尽可能多组件的休眠时间。通过采用下列机制，Silicon Labs降低了电容触摸感应MCU的整体系统功耗 ：

背景扫描：即使CPU处于节能挂起模式时，由于CDC采用硬件实现，因此电容测量通道扫描可以完全自动运行。

自治式自动扫描：仅扫描和转换活动通道，而不是所有电容感应通道。

通道绑定：使用单一输入同时扫描多个通道的功耗，低于分别处理多个通道所需的功耗。例如，系统能够使用单一输入扫描整个滑动条，如果检测到任一活动通道被触摸则唤醒CPU。CPU一旦被唤醒，则分别扫描每个通道，判断哪个通道被触摸并开始识别手势。

集成LDO调节器：F99x MCU所集成的LDO电压调节器提供线性响应，同时维持所有电压下的恒定、超低有效电流。此外，F99x具备特殊电路，在LDO调节器处于睡眠模式下时，可以保持RAM内容。

灵活的工作电压：对于许多MCU而言，当工作电压降低时CPU也必须在较低频率下运行。因此增加运行时间和功耗。如果使用AA/AAA电池，即使MCU可 在最低2.2V下工作，也会浪费掉20%的电池寿命。由于在25MHz全功能运行条件下工作电压可降到1.8V ，F99x可在不同应用下实现最大化的电池寿命。

大多数MCU旨在优化运行或休眠时的功率效率。F99x架构在运行和休眠两种模式下都具有业内最低功率（见表1）。内部电源管理单元（PMU）限制了漏电，使运行和休眠模式下的电流不到F99x竞争产品的一半。

*在0.9 to 1.8 V下运行时，通过采用内部升压转换器，C8051F99x MCU获得更大平均功率效率。

表1：F99x运行和休眠模式功耗

快速触摸唤醒

降低功耗的一个重要方法是关闭不再使用的设备显示屏和控制界面，并使整个系统处于休眠模式。界面设计的一个关键因素是系统在休眠和运行模式之间 转换 时系统如何对用户响应，即如何更快被唤醒。在电容式感应系统中，系统处于休眠状态时，没有背光为用户指示电容按钮或滑动条的功能。因此，第一次按键仅用于 唤醒系统

采用接近传感技术，系统可以检测最远位于1米的用户。这使得用户在接近或到达设备时，接近传感器能够唤醒系统，并在用户准备按键时使显示器准备 就绪。在实际应用中，这改变了用户与设备进行交互的方式，使得系统更加智能和友好。例如，汽车音响或机顶盒等设备能够在不使用时关闭控制面板，而当用户靠 近时完全打开。

唤醒时间是指确认唤醒与执行首条指令之间的时间间隔。唤醒时间取决于许多因素，包括调节器稳定性和模拟设备建立时间。在读取电容或接近传感器 时，CPU首先要执行的是模拟测量。如果模拟外围设备还未准备就绪，则会延长有效唤醒时间。唤醒时间不仅影响系统响应，也影响功效。在唤醒期间，MCU不 工作但仍然耗电。因此，缩短唤醒时间可以降低CPU唤醒过程中的功耗。

评估唤醒时间比较复杂，不同供应商采用不同的标准测量唤醒时间。有些MCU唤醒会触发中断服务例程（ISR），且必须等待直到模拟检测完成。在 这种情况下，唤醒时间是指从唤醒事件开始时到MCLK在适合的引脚上有效时，或到中断向量被取指令时。为了在首条代码指令执行前获得相同唤醒时间，开发人 员必须添加几个µs/CPU周期到测量中。

F99x MCU唤醒时间已经被优化，休眠到唤醒仅需2us。此外，它的模拟设备建立时间仅为1.7us，比竞争对手的MCU快了15倍。因此，从事件发生到首个模拟测量的有效唤醒时间不到4us，比最接近的竞争对手最高快7倍。

除了快速响应，F99x MCU具有市场上业内最低功耗的电容式触摸感应。它们具有在工作电压范围1.8-3.6V内150uA/MHz的出色性能，以及不到1uA的业内最低功耗 触摸唤醒电流。14个CDC通道具有超快速的40us获取时间、16位精度和内置的平均化处理，增加了可靠性；且对低频噪声和DC偏移干扰具有免疫能力。 F99x MCU的CDC是当前可用的最快最灵敏的电容数字转换器，而其他有相同灵敏度的产品需要超过1000倍长的采样时间。为了实现更高的感应可靠性，高度可编 程F99x MCU可使开发人员能够动态调整活动和非活动门限，以适应环境因素的变化（见图3）。

图3：为了实现更高感应可靠性，

开发者可以动态调整活动和非活动门限以适应环境因素的变化

Silicon Labs的QuickSense产品组合包括多种的感应器件。除了F99x MCU之外，Silicon Labs的F8xx和F7xx MCU系列产品也为多种应用提供高级的电容感应、最优的性能、高效的功耗以及较低的成本。对于接近传感而言，开发人员能够选择业内领先的Si1102红外 线接近传感器或者Si1120红外线接近感应和环境光传感器。两款器件都支持节能、单脉冲技术和非接触式手势识别。 Silicon Labs的红外线接近传感器是市场上感应速度最快的感应器件，提供最长的感应距离，且不会降低功效。

高级开发环境

随着嵌入式应用变得日益复杂，设计一个健壮的应用不仅需要经过验证的硬件，也需要产品化的软件和一流的开发工具。为了帮助开发 者，Silicon Labs提供QuickSense Studio开发套件，它结合了硬件、软件和开发工具，使得开发人员能够快速、轻松的把电容和接近感应应用到项目中。

从应用的角度来看，电容和接近传感器可以被看作系统的简单输入。通过API对它们的实现进行抽象处理，开发人员可以访问用户的交互信息，而不考 虑它们的来源。触摸或手势可以很容易地映射到特定的功能活动，从而大大简化了应用程序和界面的开发。易于使用的、基于图形用户接口（GUI）的 QuickSense配置向导（Configuration Wizard）通过生成所需的应用程序配置代码和固件驱动程序加速了开发进程，开发人员无需理解或编写用于监视传感器的MCU外设的底层代码。业界验证的 固件控制不同的电容感应接口选项 — 包括触摸按键、滑动条和滚轮 — 和电容接近传感器。开发人员可以完全控制重要的感应特性，如灵敏度、操作门限、响应速度和代码大小。

QuickSense Studio开发套件也能自动校准传感器，提供完整的调试和性能分析能力，确保产品设计响应快速、稳定可靠。例如，即使有相同尺寸和形状的开关，若考虑到 与其他导电元件的远近、地平面的影响以及电子干扰的存在，它们在印刷电路板（PCB）上的位置也会影响其活动和非活动状态的电容量。在开发和产品化期间， 每个开关都需要校准，并写入Flash存储器。此外，如果环境因素的影响（诸如温度、湿度、电压和污染）足够大，不正确的测量可以导致错误的感应事件。 QuickSense Studio开发套件通过定期重新配置这些环境因素，以适应它们的动态特性。

QuickSense Studio开发套件是市场上唯一同时支持电容和接近感应的开发工具，使开发人员能够使用单一开发环境设计完整的用户界面。除了配置向导之外，QuickSense Studio开发套件也通过以下特性加速产品设计：

红外线接近感应

环境光感应

电容按键和滑动条

电容式接近感应

复杂算法

手势识别

MCU控制和通讯

电容式触摸屏

Silicon Labs也提供多种完整的开发工具套件，协助开发人员把电容和接近感应集成到他们的应用中。这些资源包括完整的无线开发套件（WDS）、电池寿命评估器、示例代码和全面的应用笔记。

小结

有效的人机界面需要审美学与创新型电子设备交互方式相结合。在对系统成本和功耗影响较小的前提下，寻求产品差异化的制造商能够转向新一代电容 和接近感应界面，提供更易使用、更直观的用户体验。通过采用具有电容和接近感应能力的器件，如C8051F99x电容式触摸感应MCU和Si1120接近 传感器，开发者能够快速将新一代手势和非接触式界面应用到任意系统，方便的使用业界成熟的硬件和固件。