隨著觸摸屏的出現(xiàn)，“高科技/高觸感”呈現(xiàn)出新的含義。增加紅外接近感應(yīng)將其提升到新的水平。

基于電容和紅外接近感應(yīng)技術(shù)的下一代人機(jī)界面可以顯著改善最終用戶體驗，同時提高系統(tǒng)可靠性并降低總成本。除了使電子產(chǎn)品更易于使用和更具視覺吸引力之外，這些接口還掩蓋了電子產(chǎn)品日益增長的潛在復(fù)雜性，使制造商能夠更快地將具有先進(jìn)功能的產(chǎn)品帶入大眾市場。

先進(jìn)的基于傳感器的接口更可靠比傳統(tǒng)的機(jī)械接口，因為它們不包含與按鈕和撥號相關(guān)的移動部件，這些移動部件隨著時間的推移易于發(fā)生故障。基于傳感器的控制面板和顯示器也更加靈活，允許根據(jù)應(yīng)用程序上下文重新配置一組控件，以便僅向用戶顯示當(dāng)前活動的選項。結(jié)合手勢識別和“非接觸式”技術(shù)，開發(fā)人員可以為預(yù)期用戶需求的設(shè)備界面添加智能，并啟用創(chuàng)新的使用模型，使產(chǎn)品更友好，更直觀。靈活的固件可以根據(jù)市場需求的變化快速輕松地進(jìn)行調(diào)整，而無需完全重新構(gòu)建系統(tǒng)或重新設(shè)計設(shè)備包裝。

下一代人機(jī)界面下一代產(chǎn)品需要新一代人機(jī)界面才能實現(xiàn)差異化市場。通過使電子設(shè)備更加了解其環(huán)境，可以實現(xiàn)新功能，這增強(qiáng)了易用性，提高了功率效率并降低了系統(tǒng)成本。此外，即使在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，高靈敏度，低噪音和耐潮濕也能確保可靠性推動下一代接口開發(fā)的兩項主要技術(shù)是電容式和接近式感應(yīng)。電容感測通過感測元件的電容值的變化來檢測人手指的存在。它支持滑塊和滾輪等高級控制，非常適合用戶習(xí)慣物理反饋的近距離接口，例如按下按鈕時。接近感應(yīng)使用紅外傳感器使用紅外反射技術(shù)計算距離一米遠(yuǎn)的物體的距離。接近傳感器還可以將物體放置在空間中，實現(xiàn)“無接觸”手勢跟蹤。

將這兩種技術(shù)結(jié)合使用可以更好地調(diào)整用戶界面。許多終端用戶已經(jīng)熟悉電容式傳感技術(shù)，因為它廣泛應(yīng)用于各種消費產(chǎn)品，最突出的是iPod和iPhone。直到最近，接近感應(yīng)通常用于簡單的任務(wù)，例如手機(jī)中的面頰檢測。但是，它可以用于更多：

用戶檢測：接近感應(yīng)可以確定，例如，最終用戶當(dāng)前是否正坐在PC上，并且可以在用戶關(guān)閉顯示器時走開辦公桌。鑒于LCD背光所需的大量功率，即使是簡單的用戶檢測也可以在整個組織中實現(xiàn)顯著的功耗節(jié)省。用戶檢測也可以在USB充電器或拇指驅(qū)動器等設(shè)備中實現(xiàn)，這樣設(shè)備就可以為突然移除做好準(zhǔn)備。

無指紋顯示器：許多便攜式設(shè)備要求用戶觸摸屏幕上的按鈕，留下難以透視和清潔的油性痕跡。例如，用于便攜式多媒體播放器的非接觸式接口將消除用戶觸摸他們想要觀看視頻的屏幕的需要。類似的應(yīng)用包括使用戶能夠輕松地翻閱電子食譜的頁面，或允許醫(yī)生在手術(shù)過程中直接與基于觸摸屏的系統(tǒng)進(jìn)行交互，而不會在指紋上弄臟屏幕。

自動背光控制：接近感測信號路徑的一部分是使用環(huán)境光傳感器（ALS）來減少來自外部光源的噪聲。同樣的傳感器還可用于監(jiān)控背景照明條件，并自動適當(dāng)調(diào)整顯示屏背光以降低功耗。

隱形入侵檢測：反射系統(tǒng)內(nèi)門表面的紅外光，使開發(fā)人員可以部署“隱形”入侵機(jī)制，避免了用于同一目的的機(jī)械開關(guān)的不可靠性和費用。

健康和安全的好處：自助服務(wù)終端，結(jié)賬臺和其他公共計算機(jī)存在健康風(fēng)險通過鍵盤或觸摸屏傳播疾病。例如，在中國的部分地區(qū)，法律要求每小時擦拭一次電梯面板，以防止SARS蔓延。非接觸式面板可以避免和緩解這些公共健康問題。

卸載接口控制

嵌入式設(shè)計的一個新興趨勢是將用戶界面管理從主應(yīng)用處理器卸載到專用的8位MCU。人體觸摸對于應(yīng)用處理器來說是一個相對緩慢的事件，并且為整個系統(tǒng)供電以檢查用戶是否移動了他或她的手指消耗的功率比8位MCU完成相同任務(wù)所需的功率要大得多。

電容式觸摸感應(yīng)MCU，例如Silicon Labs的F99x系列，非常適合管理下一代用戶界面。通過提供高達(dá)25 MHz的性能以及針對任務(wù)優(yōu)化的外設(shè)，F(xiàn)99x MCU提供實現(xiàn)智能和精確傳感所需的處理和輸入功能。當(dāng)與Silicon Labs的Si114x系列接近傳感器結(jié)合使用時，開發(fā)人員可以在單一開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)高效的用戶界面。

通過基于硬件的電容式設(shè)備進(jìn)一步增強(qiáng)F99x MCU的電容傳感性能數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）。 CDC由Silicon Labs開發(fā)，包括兩個電流輸入，即數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。第一種是可變DAC，用于測量外部傳感器電容的電流，第二種是內(nèi)部參考電容的恒流源（見圖1）。使用逐次逼近寄存器（SAR）測量電容 - 一種不受DC偏移影響的有效過程，無需外部元件

圖1：基于硬件的CDC可實現(xiàn)高性能，16位分辨率，高可靠性和DC偏移抗擾度 - 無需外部元件。

F99x MCU的16位CDC具有高可靠性和高精度。通過執(zhí)行外部電容器的兩級放電，CDC可以去除在放電過程中捕獲的環(huán)境噪聲能量。相比之下，其他方法需要額外的外部元件（例如，串聯(lián)電阻）和每個通道多個I/O（從而增加MCU尺寸并增加布線難度）。

CDC的動態(tài)范圍通過使用可調(diào)節(jié)來改善獲得。當(dāng)源電流和串聯(lián)阻抗都很高時（例如使用觸摸板或ESD時），能夠降低源電流以改變充電時序并更直接反映電容傳感器的電壓，從而增強(qiáng)了動態(tài)范圍。受保護(hù)的電容墊）。更高的靈敏度為開發(fā)人員提供了更大的信號余量，使他們能夠使用更厚的塑料，使電極更小，并在嘈雜的環(huán)境中可靠地運行。如果需要，CDC還采用引腳監(jiān)控來自動調(diào)整轉(zhuǎn)換時序，以消除附近引腳上高電流開關(guān)可能產(chǎn)生的干擾?？傊珻DC為典型的電容式感應(yīng)實現(xiàn)提供了50到100之間的卓越信噪比（SNR）。

無與倫比的系統(tǒng)響應(yīng)能力

接近感應(yīng)采用紅外傳感器和一個或多個紅外線 - 發(fā)光二極管（LED）?；静僮髟硎钦樟廖矬w并測量反射光的強(qiáng)度。所需的LED數(shù)量取決于應(yīng)用和所需的空間信息。例如，紙巾分配器傳感器僅需要單個LED來檢測人站在分配器前面。要檢測左/右或上/下手勢，需要兩個LED。為了支持全空間導(dǎo)航，需要三個LED。在每種情況下，只需要一個物理傳感器。然而，每個附加傳感器增加了識別從每個LED接收的信號強(qiáng)度所需的處理并且對檢測到的物體的位置進(jìn)行三角測量。還需要處理來從接收信號中濾除噪聲（即背景光）。處理器或嵌入式控制器越強(qiáng)大，它可以采取的樣本越多，它可以實現(xiàn)更好的過濾。增加采樣率可提高系統(tǒng)的分辨率，而更好的濾波可提高精度?？焖俨蓸雍途_過濾都是強(qiáng)大的界面所必需的，開發(fā)人員必須平衡每種方法以優(yōu)化其應(yīng)用通常，與低靈敏度光電二極管相關(guān)的延長的采集時間允許來自諸如熒光燈的光源的閃爍以降低精度。 Silicon Labs的高靈敏度光電二極管技術(shù) - 已在業(yè)界證明了十多年 - 具有出色的抗EMI和閃爍能力，同時可在不使用外部透鏡或濾光片的情況下可靠地檢測距離達(dá)50厘米的物體。 Si114x傳感器系列基于這種強(qiáng)大的光電二極管技術(shù)，支持環(huán)境光感應(yīng)功能。

接近感應(yīng)子系統(tǒng)的主要功耗是紅外LED。 Silicon Labs的QuickSense開發(fā)環(huán)境可幫助開發(fā)人員定義配置參數(shù)，以優(yōu)化準(zhǔn)確度，檢測范圍和功耗。例如，高級控制功能允許開發(fā)人員動態(tài)調(diào)整LED電流，以針對特定應(yīng)用和檢測范圍進(jìn)行調(diào)整。開發(fā)人員還可以控制刷新選通率，以進(jìn)一步降低LED功耗。對于超低功耗操作，開發(fā)人員可以使用創(chuàng)新的單脈沖接近感應(yīng)來最小化LED導(dǎo)通時間并實現(xiàn)高達(dá)4000倍的功耗改善，如圖2所示。

降低系統(tǒng)功耗》目前對綠色節(jié)能電子產(chǎn)品的重視，所有設(shè)備，不僅僅是便攜式設(shè)備，都開始考慮到節(jié)能設(shè)計。有效的低功耗策略的一部分是最小化CPU活動時間，同時最大化系統(tǒng)內(nèi)盡可能多的組件的休眠時間。 Silicon Labs已經(jīng)實施了多種機(jī)制來降低其電容式觸摸感應(yīng)MCU的整體系統(tǒng)功耗：

背景掃描：由于CDC采用硬件實現(xiàn)，因此可以自主完成信道掃描的電容測量CPU在省電掛起模式下工作。

圖2：QuickSense MCU提供創(chuàng)新的單脈沖接近感應(yīng)，最大限度地減少LED導(dǎo)通時間，最多可將功耗降低4000倍。

自動自動掃描：不掃描和轉(zhuǎn)換所有電容式感應(yīng)通道，只掃描和轉(zhuǎn)換有源通道。

通道綁定：使用單個輸入掃描多個通道消耗的功率更少處理多次轉(zhuǎn)換以單獨檢查通道。例如，系統(tǒng)可以使用單個輸入掃描整個滑塊，并在觸摸任何活動通道時喚醒CPU。一旦喚醒，CPU就可以分別掃描每個通道以確定觸摸了哪些通道并開始解釋待處理手勢。

集成LDO穩(wěn)壓器：F99x MCU的集成低壓差（LDO）穩(wěn)壓器提供線性響應(yīng)在所有電壓下保持恒定的超低有功電流。此外，在休眠模式下禁用LDO穩(wěn)壓器時，F(xiàn)99x具有保留RAM的特殊電路。

靈活的工作電壓：對于許多MCU，CPU必須以較低的頻率工作，因為工作電壓為減少，從而增加操作時間和功耗。使用AA/AAA電池時，限制為2.2 V操作的MCU也會浪費20％的電池壽命。憑借25 MHz至1.8 V的全面運行能力，F(xiàn)99x可最大限度地提高各種應(yīng)用的電池供電效率。

大多數(shù)MCU旨在優(yōu)化有效或睡眠功率效率。 F99x架構(gòu)從一開始就設(shè)計為在主動模式和睡眠模式下提供業(yè)界最低功耗（見表1）。內(nèi)部電源管理單元（PMU）限制泄漏，導(dǎo)致有效和睡眠電流小于F99x最接近的競爭對手的一半。

模式電流消耗有效150μA/MHz *禁用欠壓檢測的睡眠10 nA睡眠與欠壓檢測內(nèi)部RTC工作在300 nA時啟用50 nA睡眠時間表1：F99x有效和睡眠模式功耗。

*當(dāng)工作在0.9至1.8 V時，C8051F99x MCU通過內(nèi)部升壓實現(xiàn)更高的功效轉(zhuǎn)換器。

快速觸摸喚醒

降低功耗的一項重要技術(shù)是在設(shè)備不使用時關(guān)閉設(shè)備的顯示和控制接口，然后將整個系統(tǒng)置于睡眠模式。界面設(shè)計的一個關(guān)鍵要素是系統(tǒng)在睡眠和活動模式之間轉(zhuǎn)換時對用戶的響應(yīng)程度（即它可以多快喚醒）。使用基于電容感應(yīng)的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時，沒有背光向用戶指示每個電容式按鈕或滑塊當(dāng)前所代表的功能。因此，第一次按下按鈕僅限于簡單地喚醒系統(tǒng)當(dāng)接近感應(yīng)可用時，系統(tǒng)可以檢測距離最遠(yuǎn)一米的用戶。此功能允許接近傳感器在用戶接近或到達(dá)設(shè)備時喚醒系統(tǒng)，以便系統(tǒng)可以喚醒并且在用戶準(zhǔn)備按下按鈕時顯示器可以完全起作用。在實際應(yīng)用中，通過使系統(tǒng)更加智能和友好，這改變了用戶與設(shè)備交互的方式。例如，諸如汽車立體聲或機(jī)頂盒之類的設(shè)備可以具有黑色面板，其在不使用時從視線“消失”，但是當(dāng)用戶的手靠近時以完全意識打開。

喚醒時間被測量為識別需要喚醒和執(zhí)行第一條指令之間的時間間隔。喚醒時間取決于許多因素，包括穩(wěn)壓器穩(wěn)定和模擬建立時間。對于讀取電容式或接近式傳感器等事件，CPU必須采取的首要措施是模擬測量。如果模擬外設(shè)尚未準(zhǔn)備好讀取，則會增加有效喚醒時間。喚醒時間不僅定義了系統(tǒng)響應(yīng)性，還影響了電源效率。在喚醒期間，MCU不執(zhí)行任何工作但仍然消耗功率。因此，較短的喚醒時間可以減少因CPU喚醒而浪費的功率。

為了使評估喚醒時間變得復(fù)雜，供應(yīng)商使用不同的標(biāo)準(zhǔn)來測量喚醒時間。某些MCU喚醒以觸發(fā)中斷服務(wù)程序（ISR），并且必須在進(jìn)行模擬測量之前等待。在這些情況下，喚醒時間是從喚醒事件到相應(yīng)引腳上有效的MCLK或獲取中斷向量時測量的。為了獲得喚醒時間，相當(dāng)于在執(zhí)行第一條代碼指令之前進(jìn)行的測量，開發(fā)人員必須在測量中增加幾μs/CPU周期。

F99x MCU的喚醒時間已經(jīng)過速度優(yōu)化，從睡眠中喚醒2μs的喚醒時間。此外，其模擬建立時間僅為1.7μs，比競爭對手的MCU快15倍。因此，從事件到第一次模擬測量的有效喚醒時間小于4μs，比最接近的競爭對手快7倍。

除了快速響應(yīng)，F(xiàn)99x MCU還具有業(yè)界最低功耗的電容式觸摸傳感器今天在市場上。它們在1.8至3.6 V的整個工作范圍內(nèi)提供出色的性能（150μA/MHz），以及業(yè)界最低功耗的低于1μA的觸發(fā)喚醒。 14個CDC通道提供超快的40μs采集時間，16位精度，內(nèi)置平均值以提高可靠性，以及對低頻噪聲和DC偏移的抗干擾性。 F99x MCU的CDC是目前最快，最靈敏的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其他具有同等靈敏度的器件的采樣時間要長1000多倍。高度可編程的F99x MCU使開發(fā)人員能夠動態(tài)調(diào)整有效和無效閾值，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境因素，實現(xiàn)卓越的傳感可靠性（參見圖3）。

圖3：開發(fā)人員可以動態(tài)調(diào)整有效和無效閾值適應(yīng)不斷變化的環(huán)境因素，提高傳感可靠性。

Silicon Labs的QuickSense產(chǎn)品組合包括各種傳感設(shè)備。除了F99x MCU之外，Silicon Labs的F8xx和F7xx MCU系列還為各種應(yīng)用提供先進(jìn)的電容式感應(yīng)功能，最佳性能，高效功耗和低成本。對于接近感應(yīng)，開發(fā)人員可以使用Silicon Labs的Si114x紅外接近和環(huán)境光傳感器。這些接近感應(yīng)設(shè)備提供省電，單脈沖技術(shù)和無觸摸手勢支持。 Silicon Labs的紅外接近傳感器是市場上速度最快的傳感器件，提供最長的傳感范圍而不會降低功耗或效率。

高級開發(fā)環(huán)境

隨著嵌入式應(yīng)用程序不斷變得越來越復(fù)雜，設(shè)計強(qiáng)大的實現(xiàn)不僅需要經(jīng)過驗證的硬件，還需要生產(chǎn)就緒的軟件和世界一流的開發(fā)工具。為了幫助開發(fā)人員，Silicon Labs提供了QuickSense Studio，這是一套全面的硬件，軟件和開發(fā)工具，使開發(fā)人員能夠快速，輕松地將電容和接近感應(yīng)引入任何應(yīng)用。

從應(yīng)用角度來看，無論是電容還是接近傳感器可以被認(rèn)為是系統(tǒng)的簡單輸入。通過API抽象實現(xiàn)，開發(fā)人員可以訪問用戶交互，無論其來源如何，都可以輕松映射到特定功能的觸摸或手勢事件，從而大大簡化應(yīng)用程序和界面開發(fā)。易于使用的基于GUI的QuickSense配置向?qū)ㄟ^生成所需的所有應(yīng)用程序配置代碼和固件驅(qū)動程序來加速開發(fā)，消除了開發(fā)人員理解或編寫用于監(jiān)視傳感器的MCU外圍設(shè)備的任何低級代碼的需要。經(jīng)過行業(yè)驗證的固件可管理不同的電容式接口選項 - 包括觸摸按鈕，滑塊和滾輪 - 以及電容式接近傳感器。開發(fā)人員可以完全控制重要的傳感器特性，如靈敏度，操作閾值，響應(yīng)速度和代碼大小。

QuickSense Studio還可自動校準(zhǔn)傳感器并提供全面的調(diào)試和性能分析功能，以確保設(shè)計具有響應(yīng)性和穩(wěn)健性。例如，即使幾個開關(guān)的尺寸和形狀相同，它們在PCB上的位置也會影響它們的有源和無源狀態(tài)電容，因為它們靠近其他導(dǎo)電元件，接地層以及存在電氣干擾。每個開關(guān)都需要在開發(fā)或生產(chǎn)過程中進(jìn)行校準(zhǔn)，并將結(jié)果編程到閃存中。此外，如果溫度，濕度，電源電壓和污染物等環(huán)境因素的影響足夠大，不正確的測量可能會導(dǎo)致錯誤的傳感器事件。 QuickSense Studio通過定期重新配置自身，使系統(tǒng)能夠考慮這些因素的動態(tài)特性。

QuickSense Studio是市場上唯一支持電容和接近感應(yīng)的開發(fā)工具，使開發(fā)人員能夠使用單個設(shè)計完整的用戶界面發(fā)展環(huán)境。除配置向?qū)猓琎uickSense Studio還可加速以下設(shè)計：

紅外接近感應(yīng)

環(huán)境光感應(yīng)

電容式按鈕和滑塊

電容式接近感應(yīng)

復(fù)雜算法

手勢識別

MCU控制和通信

電容式觸摸屏