新型电容和红外线接近感应人机界面的应用.docx

《新型电容和红外线接近感应人机界面的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新型电容和红外线接近感应人机界面的应用.docx（13页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、新型电容和红外线接近感应人机界面的应用网络转载导语：驱动新一代人机界面开发的两种主流技术是电容和接近感应。电容感应器通过感应器件的电容值变化判定使用者的手指的存在。接近感应使用红外线传感器利用红外线反射技术测量与物体间的距离，最远可达1米。接近传感器也可以识别空中物体，进展“非接触式手势跟踪。简介先进传感器人机界面比传统的机械式界面更可靠，由于它们没有与按键和转盘相连的活动部件，这些部件随着时间的推移更易失效。基于传感器的控制面板和显示器也变得更加灵敏，允许单套控制组件根据应用程序环境重新配置，以便客户在现有功能的根底上实现自己的应用。手势识别和“非接触技术相结合后，开发人员可以使设备界面变得

2、更加智能，预测用户所需、创新使用形式，进而使产品更加友好、直观易用。固件可以根据市场需求快速方便的灵敏调整，进而无需完全重新构建系统或者重新设计设备外观。新一代人机界面新产品呼唤新人机界面的产生，进而使自己在市场中脱颖而出。通过使电子设备更理解其运行环境，新功能增强了易用性、进步成效和降低系统本钱。此外，其高灵敏度、低噪音，耐潮湿的特性，即使在最具挑战性的环境中也能确保其可靠性。驱动新一代人机界面开发的两种主流技术是电容和接近感应。电容感应器通过感应器件的电容值变化判定使用者的手指的存在。它可实现高级控件，如滑动条和滚轮，并且能更好的识别用户过去常采用的物理反应式近间隔界面操纵，如按下按钮。接

3、近感应使用红外线传感器利用红外线反射技术测量与物体间的间隔，最远可达1米。接近传感器也可以识别空中物体，进展“非接触式手势跟踪。以上两种技术相结合可以对用户界面进展更好的调控。很多最终用户已经从一些消费类产品使用中熟悉了电容感应技术，最有代表性的是iPod和iPhone。到目前为止，接近感应通常被用来进展简单的任务，如手机上的面颊检测。然而，其应用领域远非局限于此：用户检测：例如，接近感应可以检测到最终用户当前是否在电脑前，并可以在用户分开时关闭显示器。考虑到LCD背光非常耗电，因此即使是简单的用户检测也能为整个企业节省大量能耗。用户检测也可以用于USB充电器/驱动器等设备，以便设备可以做好被

4、忽然拔出的预备。无指纹显示：很多便携式设备需要用户触摸屏幕上的按钮，遗留的印迹即不利于识别，也很难去除。具有非接触式界面的便携式多媒体播放器使用户在观看视频时无需触摸屏幕。类似的应用包括：使用户无需触摸屏幕即可轻松实现电子书翻页；允许医生在手术中直接与触摸屏系统交互，而无需触摸电子屏幕。自动背光控制：接近感应信号通道一局部利用环境光传感器ALS消除外部光源带来的噪声。同样的传感器也可以用于监视背景照明条件，自动调整显示器背光以减少能量消耗。隐形入侵检测：可反射射向系统内门外表的红外光，开发人员可以施行“隐形入侵检测机制，防止具有一样功能的机械开关的不可靠性和损耗。安康和平安考虑：多媒体信息站(

5、kiosk)、检验台和其他公共计算机存在通过键盘和屏幕传播疾病的风险。例如，在中国的一些地区，法律规定电梯控制面板每小时消毒一次，以防止SARS的蔓延。非接触式面板防止和减轻了这些公共安康所带来的问题。移除界面控制嵌入式设计中的一个趋势是从主应用途理器中去除用户界面治理，将其分配给专用的8位微控制器MCU。对于应用途理器来讲，触摸是一个相对较慢的动作，使用整个系统去检测用户是否挪动手指比使用专用8位MCU实现一样功能所消耗的能量要多得多。电容式触摸感应MCU，如SiliconLabs的F99x系列产品非常合适用于治理新一代用户界面。通过为任务提供高达25MHz的运行性能以及最优化的外设，F99

6、xMCU提供智能和准确感应所需的处理和输入才能。与Si11xx接近感应系列产品相结合，开发者可在单一开发环境中实现高效人机界面。F99xMCU的电容感应性能通过硬件实现的电容数字转换器CDC得到进一步增强。SiliconLabs的CDC包含两路电流输入数字模拟转换器或者DAC。第一路为可变DAC，用于测量到外部感应电容的电流；第二路是恒定电流源，用于内部参考电容见图1。电容测量使用逐次逼近方SAR，该高效处理经过消除了直流DC偏移带来的影响，且无需外部组件。图1：硬件实现的CDC提供高性能、16位精度、高可靠性和DC偏移抑制无需外部组件F99xMCU的16位CDC具有高可靠性和准确性。通过执行

7、两阶段外部电容放电，CDC可以消除放电经过中传入的环境噪声。相比之下，其他方法需要额外的外部元件例如串联电阻等和一个以上I/O/每通道因此增加了MCU尺寸和布线难度。CDC的动态范围通过使用可调增益得到进一步提升。同时，动态范围也通过以下方式得到增强：减少源电流以改变充电时间；当源电流和串联阻抗都很高时例如当使用触摸面板或者ESD保护电容按盘时更直接反映电容传感器电压。更高灵敏度为开发人员提供更大的信号冗余度，允许他们使用较厚的塑料、更小的电极，即使在嘈杂环境中仍能确保操纵可靠性。CDC也可使用引脚监视功能动态调整转换时间，消除附近引脚上高电流开关转换所带来的干扰。总之，CDC具有极好的信噪比

8、SNR，在典型的电容感应实现中SNR为50-100。无与伦比的系统响应性接近传感采用了红外线感应器和一个或者更多的红外发光二极管LED。其根本工作原理是通过照亮物体，然后测量反射光的强度。所需LED的数目取决于应用以及是否需要三维信息。例如，纸巾分配传感器，只需要一个LED来检测是否有人站在分配器前。为了检测左/右或者上/下的手势，需要两个LED。为了支持三维导航，需要三个LED。在每一种情况下，只需一个物理传感器。然而，每个附加的传感器增加了识别来自每个LED信号强度的所需处理，并且可利用三角定位方法判定被检测对象的位置。处理也需要过滤接收信号中的噪声即背景光。处理器或者嵌入式控制器越强大，

9、所能获得的采样值就越多，过滤效果也就越好。增加采样率进步了系统的分辨率，同时更好的过滤也进步了准确性。快速采样和高精度过滤需要一个稳健的接口，开发人员必须权衡每一种方法来优化其应用。通常情况下，与低灵敏度光电二极管相关的是扩展收集时间，允许光源例如荧光灯闪烁降低精度。SiliconLabs高灵敏度的光电二极管技术10余年来已在行业得到验证具有良好的抗电磁干扰EMI和抗闪烁特性，且能可靠检测高达50厘米远的物体，而无需使用外部镜头或者过滤器。基于稳健的光电二极管技术，Si11xx传感器系列产品可以选择集成环境光传感器。接近感应子系统的功耗主要是红外线发光二极管LED。SiliconLabs的Qu

10、ickSense开发环境可协助开发者定义配置参数，优化精度、检测范围和功耗。例如，高级控制才能允许开发人员为特定应用和检测范围动态调整LED电流。对于超低功耗操纵，开发者可以使用创新的单脉冲接近感应最小化LED翻开时间，可以使功耗效率最大进步4000倍，如图2所示。图2：QuickSenseMCU具有创新的单脉冲接近传感，最小化LED翻开时间，功耗效率最大进步4000倍降低系统功耗如今，人们对绿色、节能型电器日益关注。不仅是便携式电器，所有电器设备都开场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。通过采用以下机制，Silicon

11、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处于节能挂起形式时，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，系统可以使用单一输入扫描整个滑动条，假如检测到任一活动通道被触摸那么唤醒CPU。CPU一旦被唤醒，那么分别扫描每个通道，判定哪个通道被触摸并开场识别手势。集成LDO调节器：F99xMCU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

12、器处于睡眠形式下时，可以保持RAM内容。灵敏的工作电压：对于很多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。假如使用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旨在优化运行或者休眠时的功率效率。F99x架构在运行和休眠两种形式下都具有业内最低功率见表1。内部电源治理单元PMU限制了漏电，使运行和休眠形式下的电流不到F99x竞争产品的一半。*在0.9to1.8V下运行时，通过采用内部升压转换器，C8051F99x

13、MCU获得更大平均功率效率。表1：F99x运行和休眠形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形式。界面设计的一个关键因素是系统在休眠和运行形式之间转换时系统怎样对用户响应，即怎样更快被唤醒。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者滑动条的功能。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者到达设备时，接近传感器可以唤醒系统，并在用户预备按键时使显示器预备停当。在实际应用中，这改变了用户与设备进展交互的方式，使得系统更加智能和友好。例如，汽车音响或者机顶

14、盒等设备可以在不使用时关闭控制面板，而当用户靠近时完全翻开。唤醒时间是指确认唤醒与执行首条指令之间的时间间隔。唤醒时间取决于很多因素，包括调节器稳定性和模拟设备建立时间。在读取电容或者接近传感器时，CPU首先要执行的是模拟测量。假如模拟外围设备还未预备停当，那么会延长有效唤醒时间。唤醒时间不仅影响系统响应，也影响成效。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唤醒经过中的功耗。评估唤醒时间比拟复杂，不同供给商采用不同的标准测量唤醒时间。有些MCU唤醒会触发中断效劳例程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场时到MCLK在合适的引脚上

15、有效时，或者到中断向量被取指令时。为了在首条代码指令执行前获得一样唤醒时间，开发人员必须添加几个s/CPU周期到测量中。F99xMCU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，F99xMCU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

16、性；且对低频噪声和DC偏移干扰具有免疫才能。F99xMCU的CDC是当前可用的最快最灵敏的电容数字转换器，而其他有一样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F99xMCU可使开发人员可以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SiliconLabs的QuickSense产品组合包括多种的感应器件。除了F99xMCU之外，SiliconLabs的F8xx和F7xxMCU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本钱。对于接近传感

17、而言，开发人员可以选择业内领先的Si1102红外线接近传感器或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。SiliconLabs的红外线接近传感器是市场上感应速度最快的感应器件，提供最长的感应间隔，且不会降低成效。高级开发环境随着嵌入式应用变得日益复杂，设计一个强健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，SiliconLabs提供QuickSenseStudio开发套件，它结合了硬件、软件和开发工具，使得开发人员可以快速、轻松的把电容和接近感应应用到工程中。从应用的角度来看，电容和接近传感器可以被看作系统

18、的简单输入。通过API对它们的实现进展抽象处理，开发人员可以访问用户的交互信息，而不考虑它们的;。触摸或者手势可以很轻易地映射到特定的功能活动，进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ConfigurationWizard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者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、操纵门限、响应速度和代码大小。QuickSenseStudio开发

19、套件也能自动校准传感器，提供完好的调试和性能分析才能，确保产品设计响应快速、稳定可靠。例如，即使有一样尺寸和外形的开关，假设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，假如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。QuickSenseStudio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。QuickSenseStudio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，使开发人员可以

20、使用单一开发环境设计完好的用户界面。除了配置向导之外，QuickSenseStudio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SiliconLabs也提供多种完好的开发工具套件，协助开发人员把电容和接近感应集成到他们的应用中。这些资源包括完好的无线开发套件WDS、电池寿命评估器、例如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。在对系统本钱和功耗影响较小的前提下，寻求产品差异化的制造商可以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才能的器件，如C8051F99x电容式触摸感应MCU和Si1120接近传感器，开发者可以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。