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

基于電容和紅外接近感應技術的下一代人機界面可以顯著改善最終用戶體驗，同時提高系統可靠性并降低總成本。除了使電子產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品日益增長的潛在復雜性，使制造商能夠更快地將具有先進功能的產品帶入大眾市場。

先進的基于傳感器的接口更可靠比傳統的機械接口，因為它們不包含與按鈕和撥號相關的移動部件，這些移動部件隨著時間的推移易于發生故障。基于傳感器的控制面板和顯示器也更加靈活，允許根據應用程序上下文重新配置一組控件，以便僅向用戶顯示當前活動的選項。結合手勢識別和“非接觸式”技術，開發人員可以為預期用戶需求的設備界面添加智能，并啟用創新的使用模型，使產品更友好，更直觀。靈活的固件可以根據市場需求的變化快速輕松地進行調整，而無需完全重新構建系統或重新設計設備包裝。

下一代人機界面下一代產品需要新一代人機界面才能實現差異化市場。通過使電子設備更加了解其環境，可以實現新功能，這增強了易用性，提高了功率效率并降低了系統成本。此外，即使在最具挑戰性的環境中，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的兩項主要技術是電容式和接近式感應。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，非常適合用戶習慣物理反饋的近距離接口，例如按下按鈕時。接近感應使用紅外傳感器使用紅外反射技術計算距離一米遠的物體的距離。接近傳感器還可以將物體放置在空間中，實現“無接觸”手勢跟蹤。

將這兩種技術結合使用可以更好地調整用戶界面。許多終端用戶已經熟悉電容式傳感技術，因為它廣泛應用于各種消費產品，最突出的是iPod和iPhone。直到最近，接近感應通常用于簡單的任務，例如手機中的面頰檢測。但是，它可以用于更多：

用戶檢測：接近感應可以確定，例如，最終用戶當前是否正坐在PC上，并且可以在用戶關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顯著的功耗節省。用戶檢測也可以在USB充電器或拇指驅動器等設備中實現，這樣設備就可以為突然移除做好準備。

無指紋顯示器：許多便攜式設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。類似的應用包括使用戶能夠輕松地翻閱電子食譜的頁面，或允許醫生在手術過程中直接與基于觸摸屏的系統進行交互，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控背景照明條件，并自動適當調整顯示屏背光以降低功耗。

隱形入侵檢測：反射系統內門表面的紅外光，使開發人員可以部署“隱形”入侵機制，避免了用于同一目的的機械開關的不可靠性和費用。

健康和安全的好處：自助服務終端，結賬臺和其他公共計算機存在健康風險通過鍵盤或觸摸屏傳播疾病。例如，在中國的部分地區，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

嵌入式設計的一個新興趨勢是將用戶界面管理從主應用處理器卸載到專用的8位MCU。人體觸摸對于應用處理器來說是一個相對緩慢的事件，并且為整個系統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完成相同任務所需的功率要大得多。

電容式觸摸感應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25 MHz的性能以及針對任務優化的外設，F99x MCU提供實現智能和精確傳感所需的處理和輸入功能。當與Silicon Labs的Si114x系列接近傳感器結合使用時，開發人員可以在單一開發環境中實現高效的用戶界面。

通過基于硬件的電容式設備進一步增強F99x MCU的電容傳感性能數字轉換器（CDC）。 CDC由Silicon Labs開發，包括兩個電流輸入，即數模轉換器（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的動態范圍通過使用可調節來改善獲得。當源電流和串聯阻抗都很高時（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，從而增強了動態范圍。受保護的電容墊）。更高的靈敏度為開發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，并在嘈雜的環境中可靠地運行。如果需要，CDC還采用引腳監控來自動調整轉換時序，以消除附近引腳上高電流開關可能產生的干擾。總之，CDC為典型的電容式感應實現提供了50到100之間的卓越信噪比（SNR）。

無與倫比的系統響應能力

接近感應采用紅外傳感器和一個或多個紅外線 - 發光二極管（LED）。基本操作原理是照亮物體并測量反射光的強度。所需的LED數量取決于應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接收的信號強度所需的處理并且對檢測到的物體的位置進行三角測量。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大，它可以采取的樣本越多，它可以實現更好的過濾。增加采樣率可提高系統的分辨率，而更好的濾波可提高精度。快速采樣和精確過濾都是強大的界面所必需的，開發人員必須平衡每種方法以優化其應用通常，與低靈敏度光電二極管相關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 - 已在業界證明了十多年 - 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50厘米的物體。 Si114x傳感器系列基于這種強大的光電二極管技術，支持環境光感應功能。

接近感應子系統的主要功耗是紅外LED。 Silicon Labs的QuickSense開發環境可幫助開發人員定義配置參數，以優化準確度，檢測范圍和功耗。例如，高級控制功能允許開發人員動態調整LED電流，以針對特定應用和檢測范圍進行調整。開發人員還可以控制刷新選通率，以進一步降低LED功耗。對于超低功耗操作，開發人員可以使用創新的單脈沖接近感應來最小化LED導通時間并實現高達4000倍的功耗改善，如圖2所示。

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

背景掃描：由于CDC采用硬件實現，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提供創新的單脈沖接近感應，最大限度地減少LED導通時間，最多可將功耗降低4000倍。

自動自動掃描：不掃描和轉換所有電容式感應通道，只掃描和轉換有源通道。

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換以單獨檢查通道。例如，系統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穩壓器：F99x MCU的集成低壓差（LDO）穩壓器提供線性響應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穩壓器時，F99x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，F99x可最大限度地提高各種應用的電池供電效率。

大多數MCU旨在優化有效或睡眠功率效率。 F99x架構從一開始就設計為在主動模式和睡眠模式下提供業界最低功耗（見表1）。內部電源管理單元（PMU）限制泄漏，導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。

*當工作在0.9至1.8 V時，C8051F99x MCU通過內部升壓實現更高的功效轉換器。

快速觸摸喚醒

降低功耗的一項重要技術是在設備不使用時關閉設備的顯示和控制接口，然后將整個系統置于睡眠模式。界面設計的一個關鍵要素是系統在睡眠和活動模式之間轉換時對用戶的響應程度（即它可以多快喚醒）。使用基于電容感應的系統，當系統處于睡眠狀態時，沒有背光向用戶指示每個電容式按鈕或滑塊當前所代表的功能。因此，第一次按下按鈕僅限于簡單地喚醒系統當接近感應可用時，系統可以檢測距離最遠一米的用戶。此功能允許接近傳感器在用戶接近或到達設備時喚醒系統，以便系統可以喚醒并且在用戶準備按下按鈕時顯示器可以完全起作用。在實際應用中，通過使系統更加智能和友好，這改變了用戶與設備交互的方式。例如，諸如汽車立體聲或機頂盒之類的設備可以具有黑色面板，其在不使用時從視線“消失”，但是當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，包括穩壓器穩定和模擬建立時間。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。如果模擬外設尚未準備好讀取，則會增加有效喚醒時間。喚醒時間不僅定義了系統響應性，還影響了電源效率。在喚醒期間，MCU不執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雜，供應商使用不同的標準來測量喚醒時間。某些MCU喚醒以觸發中斷服務程序（ISR），并且必須在進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，相當于在執行第一條代碼指令之前進行的測量，開發人員必須在測量中增加幾μs/CPU周期。

F99x MCU的喚醒時間已經過速度優化，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，F99x MCU還具有業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的整個工作范圍內提供出色的性能（150μA/MHz），以及業界最低功耗的低于1μA的觸發喚醒。 14個CDC通道提供超快的40μs采集時間，16位精度，內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，最靈敏的電容數字轉換器，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使開發人員能夠動態調整有效和無效閾值，以適應不斷變化的環境因素，實現卓越的傳感可靠性（參見圖3）。

圖3：開發人員可以動態調整有效和無效閾值適應不斷變化的環境因素，提高傳感可靠性。

Silicon Labs的QuickSense產品組合包括各種傳感設備。除了F99x MCU之外，Silicon Labs的F8xx和F7xx MCU系列還為各種應用提供先進的電容式感應功能，最佳性能，高效功耗和低成本。對于接近感應，開發人員可以使用Silicon Labs的Si114x紅外接近和環境光傳感器。這些接近感應設備提供省電，單脈沖技術和無觸摸手勢支持。 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。

高級開發環境

隨著嵌入式應用程序不斷變得越來越復雜，設計強大的實現不僅需要經過驗證的硬件，還需要生產就緒的軟件和世界一流的開發工具。為了幫助開發人員，Silicon Labs提供了QuickSense Studio，這是一套全面的硬件，軟件和開發工具，使開發人員能夠快速，輕松地將電容和接近感應引入任何應用。

從應用角度來看，無論是電容還是接近傳感器可以被認為是系統的簡單輸入。通過API抽象實現，開發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，從而大大簡化應用程序和界面開發。易于使用的基于GUI的QuickSense配置向導通過生成所需的所有應用程序配置代碼和固件驅動程序來加速開發，消除了開發人員理解或編寫用于監視傳感器的MCU外圍設備的任何低級代碼的需要。經過行業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，響應速度和代碼大小。

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

QuickSense Studio是市場上唯一支持電容和接近感應的開發工具，使開發人員能夠使用單個設計完整的用戶界面發展環境。除配置向導外，QuickSense Studio還可加速以下設計：

紅外接近感應

環境光感應

電容式按鈕和滑塊

電容式接近感應

復雜算法

手勢識別

MCU控制和通信

電容式觸摸屏