1.引語(yǔ)

觸摸式按鍵隨著(zhù)iPod等消費類(lèi)電子的流行而迅速發(fā)展，這一方面因為相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以提供更加穩定的性能；另一方面也因為同類(lèi)電子產(chǎn)品的基本功能趨同，生產(chǎn)商更加關(guān)注如何為用戶(hù)提供舒適、便捷、具有創(chuàng )意的人機交互界面。在這一點(diǎn)上，與傳統機械式按鍵相比，觸摸式按鍵有著(zhù)其無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢。

現有市場(chǎng)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(jìn)而將其轉化為邏輯上的按鍵開(kāi)關(guān)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(shí)需對電容的充放電，因此不可避免會(huì )增加產(chǎn)品功耗。對于一些功耗敏感的應用來(lái)說(shuō)，如何實(shí)現低功耗的觸摸按鍵是關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節。

Cypress作為電容式觸摸按鍵芯片領(lǐng)域的領(lǐng)導者，一直致力提供高效、可靠、貼近用戶(hù)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(huì )改變感應電容Cx，當檢測電路對Cx充放電時(shí)，Cx值的變化會(huì )引起電路信號變化，通過(guò)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(guò)，系統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來(lái)說(shuō)，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是系統工作電壓，Iave是系統平均工作電流。從公式1中可以看出，系統的功耗由系統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有效工作時(shí)間的前提下降低系統的工作電流；第二種減少系統的有效工作時(shí)間，增加系統的休眠時(shí)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(gè)理想的水平，所以需要結合第二種的方法。在觸摸按鍵系統的實(shí)際工作中將，相當一部分時(shí)間系統處于無(wú)任何按鍵按下的空閑狀態(tài)。在這段時(shí)間內可以用軟件將系統配置為休眠模式。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工作時(shí)間，令其空閑時(shí)進(jìn)入休眠模式，就可降低平均工作電流，從而減少系統功耗。

圖2是一個(gè)具有休眠功能的典型系統軟件流程圖。



系統初始化后進(jìn)入休眠模式，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)后喚醒掃描按鍵模塊，進(jìn)行按鍵掃描。如果有按鍵按下，軟件判斷是否有效。如果無(wú)效按鍵按下，那么系統繼續進(jìn)入休眠模式。如果軟件判斷按鍵有效，那么喚醒系統，觸發(fā)任務(wù)處理進(jìn)程。當處理完所有任務(wù)后，系統又重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。這是個(gè)典型的具有休眠功能的系統工作流程圖，它的優(yōu)點(diǎn)就是此軟件流程簡(jiǎn)單易懂、容易實(shí)現，一般可以滿(mǎn)足大多數場(chǎng)合的應用。但是，如果系統任務(wù)處理消耗了較多的CPU處理時(shí)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(shí)間。同時(shí)降低了按鍵掃描的頻率，從而加長(cháng)了系統喚醒的響應時(shí)間。因此，此方法適合比較簡(jiǎn)單的、系統任務(wù)不復雜的應用。

圖3是一個(gè)具有休眠功能的復雜系統軟件流程圖。





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

如果沒(méi)有有效按鍵觸發(fā)，那么系統工作在最大的省電模式。不論哪種方法，系統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(shí)間，Iscan是按鍵掃描時(shí)的工作電流，Tsleep是休眠時(shí)間，Isleep是休眠時(shí)的工作電流。Isleep會(huì )遠遠小于Iscan。一般來(lái)說(shuō)，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(cháng)的睡眠時(shí)間是降低系統功耗的關(guān)鍵。

在實(shí)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(shí)間和按鍵的靈敏度、等。最大休眠時(shí)間決定了系統的響應時(shí)間，對于相同的Iave，Iscan和Isleep，較長(cháng)的Tscan會(huì )引起Tsleep的增加，從而無(wú)法滿(mǎn)足系統的響應時(shí)間；如果減少掃描時(shí)間，可能會(huì )無(wú)法有效減少系統噪聲影響，降低信噪比，影響按鍵的靈敏度。因此，低功耗觸摸系統設計需要靈敏，可靠，快速的觸摸按鍵掃描技術(shù)。

3.基于CY8C22x45的低功耗設計實(shí)例

Cypress的CY8C22x45系列PSoC®芯片可以有效的實(shí)現上述目標。該系列芯片內部包含一個(gè)獨立硬件實(shí)現的CapSense觸摸按鍵掃描模塊CSD2X[3]，最多可以?huà)呙?7個(gè)觸摸按鍵。該模塊具有兩個(gè)硬件掃描通道，可以同時(shí)完成位于兩個(gè)通道上一對按鍵的掃描，提高了按鍵掃描速度。該模塊包含內置的Cx充電電路，結合Cypress的按鍵基線(xiàn)算法[4]，可以在快速掃描按鍵的同時(shí)，有效降低噪聲影響。

此外，該系列PSoC®芯片包含8個(gè)數字模塊和6個(gè)模擬模塊，提供最多38個(gè)通用I/O,16KbyteFlash，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上資源，包括10位SARADC，電壓參考源(VDAC)，I2C通信模塊，硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)[5]。硬件實(shí)現的觸摸按鍵掃描模塊和豐富的數字、模擬模塊資源，使得可以用一塊CY8C22x45芯片實(shí)現觸摸按鍵功能和系統主控操作。

CY8C22x45系列芯片休眠時(shí)的工作電流僅有3uA[5]，芯片內包含一個(gè)休眠計數器，系統進(jìn)入休眠后計數器開(kāi)始遞減，當計數值為零時(shí)產(chǎn)生中斷喚醒系統。喚醒系統后可以不做任何處理再次進(jìn)入休眠模式。這樣周而復始，達到所需要的整個(gè)休眠時(shí)間。在實(shí)際設計中，常常使用平均休眠電流替代公式2中的Isleep，即在每次休眠結束后，僅讓系統正常工作最短時(shí)間，該時(shí)間內完成所有必須操作（僅是一次循環(huán)判斷），此時(shí)的電流即為該休眠時(shí)間下的平均休眠電流。表1列出了常用休眠時(shí)間的平均休眠電流。

表1常用休眠時(shí)間的平均休眠電流



圖4是一個(gè)觸摸按鍵應用中一次典型的按鍵波形，每個(gè)按鍵按下后，系統都需輸出對應的電壓值以供其他系統檢測。該應用要求響應時(shí)間小于等于40ms，當按鍵被長(cháng)按時(shí)，需要一直輸出按鍵電壓，即使按鍵釋放后，仍需250ms時(shí)間保持原有按鍵電壓，之后停止輸出按鍵電壓，進(jìn)入空閑狀態(tài)。系統共包含12個(gè)觸摸按鍵，當多個(gè)按鍵被同時(shí)按下時(shí)，系統不響應。系統低功耗設計要求為，系統待機時(shí)沒(méi)有按鍵操作的平均電流應至少小于1mA。



使用示波器可以測出系統掃描12個(gè)按鍵所需時(shí)間大約為1.388ms。同時(shí)，可以測量到正常工作狀態(tài)下系統的工作電流大約為6mA。根據公式2以及表1，若一次休眠1.92ms，需要連續休眠5次（9.6ms），才可以得到低于1mA的平均待機電流，約為0.875mA；若一次休眠15.6ms，休眠一次即可滿(mǎn)足要求，平均待機電流約為0.52mA。實(shí)際工程中采用了第二種休眠方式，實(shí)際測量到的平均待機電流值為0.565mA，與計算值相近。

4.降低功耗和喚醒方式的進(jìn)一步討論

以上實(shí)例中系統的平均待機電流是0.565mA，雖然這個(gè)功耗滿(mǎn)足了系統的設計要求，但是在很多使用電池供電的場(chǎng)合是不行的。這是因為在待機時(shí)，系統掃描全部12個(gè)按鍵，用去了1.388ms的時(shí)間。如果能減小掃描按鍵的時(shí)間，那么還能夠降低系統的待機功耗。

固定按鍵喚醒系統l

采用固定按鍵的方式喚醒系統能有效的降低系統掃描按鍵的時(shí)間。系統無(wú)需掃描所有的按鍵，只需掃描固定的一個(gè)按鍵，這可以大大降低在待機狀態(tài)下掃描按鍵的時(shí)間。以上述的應用為例，CY8C22x45系列PSoC支持雙通道并行掃描，12個(gè)按鍵均勻分布在兩個(gè)通道上，因此掃描一個(gè)按鍵約為0.231ms。如果休眠15.6ms，可以計算出此時(shí)平均待機電流只有0.113mA，相比之前的0.52mA的計算值，僅是其21%。如果休眠時(shí)間增加至40ms，從表1可以推算出此時(shí)平均休眠電流約為9uA，此時(shí)計算出平均待機電流僅為0.043mA。

任意按鍵喚醒系統l

如果系統要求任意按鍵喚醒系統，那么以上介紹的固定按鍵喚醒系統方法不能滿(mǎn)足。Cypress特有的內部模擬總線(xiàn)的方式，可以將全部的按鍵組合成一個(gè)“大按鍵”。這樣系統待機時(shí)，只需要對這個(gè)“大按鍵”掃描一次，就能判斷是否有手指觸摸到任何按鍵上。不論任何一個(gè)按鍵被手指觸摸，都可以喚醒系統。系統喚醒后，將“大按鍵”分解，進(jìn)行正常的按鍵掃描處理，區分哪個(gè)按鍵按下，進(jìn)行任務(wù)處理。使用這種方法，系統的待機平均電流與使用固定按鍵喚醒系統的方法相同。

手指接近喚醒系統l

手指接近喚醒系統是Cypress的一項成熟的技術(shù)。此方法是建立在任意按鍵喚醒系統方法基礎之上的。在系統待機時(shí)，也是使用一個(gè)“大按鍵”進(jìn)行掃描。與上個(gè)方法不同的地方在于：不是當手指觸摸到鍵盤(pán)時(shí)喚醒系統，而是當手指靠近鍵盤(pán)時(shí)就喚醒系統。系統喚醒后立即將“大按鍵”分解為正常按鍵，進(jìn)行按鍵掃描。相對于任意按鍵喚醒系統方法，這種方法能加快系統對按鍵的相應速度，還可以使產(chǎn)品增加豐富的功能特性。

5.結語(yǔ)

應用Cypress的CY8C22x45系列芯片以及獨有的CapSense技術(shù)，設計者可以用更快的時(shí)間掃描大量按鍵，用更長(cháng)的時(shí)間讓系統休眠，結合其較低的休眠電流，在保證系統可靠性能的同時(shí)，可以實(shí)現較低的待機功耗，為觸摸按鍵應用的低功耗設計提供了一種良好的解決方案。