一種低功耗觸摸按鍵應用的設計方法

引言
??? ?觸摸式按鍵隨著iPod等消費類電子的流行而迅速發展，這一方面因為相關技術的不斷進步，可以提供更加穩定的性能；另一方面也因為同類電子產品的基本功能趨同，生產商更加關注如何為用戶提供舒適、便捷、具有創意的人機交互界面。在這一點上，與傳統機械式按鍵相比，觸摸式按鍵有著其無法比擬的巨大優勢。
????? 現有市場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，進而將其轉化為邏輯上的按鍵開關操作。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需對電容的充放電，因此不可避免會增加產品功耗。對于一些功耗敏感的應用來說，如何實現低功耗的觸摸按鍵是關鍵技術環節。
???? ?Cypress作為電容式觸摸按鍵芯片領域的領導者，一直致力提供高效、可靠、貼近用戶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，手指的觸摸會改變感應電容Cx，當檢測電路對Cx充放電時，Cx值的變化會引起電路信號變化，通過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，系統整體功耗因為頻繁的掃描Cx的大小而增加。

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?對于輸入電壓一定的系統來說，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間，增加系統的休眠時間。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際工作中將，相當一部分時間系統處于無任何按鍵按下的空閑狀態。在這段時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間，令其空閑時進入休眠模式，就可降低平均工作電流，從而減少系統功耗。

圖 2是一個具有休眠功能的典型系統軟件流程圖。

系統初始化后進入休眠模式，經過一段時間的延時后喚醒掃描按鍵模塊，進行按鍵掃描。如果有按鍵按下，軟件判斷是否有效。如果無效按鍵按下，那么系統繼續進入休眠模式。如果軟件判斷按鍵有效，那么喚醒系統，觸發任務處理進程。當處理完所有任務后，系統又重新進入休眠狀態。這是個典型的具有休眠功能的系統工作流程圖，它的優點就是此軟件流程簡單易懂、容易實現，一般可以滿足大多數場合的應用。但是，如果系統任務處理消耗了較多的CPU處理時間，那么為了達到目標平均工作電流，就需要相應增加休眠時間。同時降低了按鍵掃描的頻率，從而加長了系統喚醒的響應時間。因此，此方法適合比較簡單的、系統任務不復雜的應用。
圖 3是一個具有休眠功能的復雜系統軟件流程圖。
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此方法是將以上方法中的任務處理進行分解，分為觸發新任務，處理任務。目的就是減小在每個循環周期內部執行任務的所花費的CPU資源。與上一個方法的不同在于：系統喚醒掃描按鍵程序，當判斷按鍵有效時，觸發新任務，并不是將所有的任務處理完畢。在當前的循環周期內，觸發的新任務可能沒有處理完畢，需要下一個或者更多個系統循環的時間才可以完成。當判斷按鍵無效時，不是馬上進入休眠模式，而是判斷是否有沒有處理完畢的任務。如果有則繼續處理；如果沒有則進入休眠模式。此方法可以處理比較復雜的任務，能滿足更多應用領域的需求。
如果沒有有效按鍵觸發，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間，Iscan是按鍵掃描時的工作電流，Tsleep是休眠時間，Isleep是休眠時的工作電流。Isleep會遠遠小于Iscan。一般來說，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，較長的睡眠時間是降低系統功耗的關鍵。
在實際設計中，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間和按鍵的靈敏度、等。最大休眠時間決定了系統的響應時間，對于相同的Iave，Iscan和Isleep，較長的Tscan會引起Tsleep的增加，從而無法滿足系統的響應時間；如果減少掃描時間，可能會無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。
3. 基于CY8C22x45的低功耗設計實例
Cypress的CY8C22x45系列PSoC?芯片可以有效的實現上述目標。該系列芯片內部包含一個獨立硬件實現的CapSense觸摸按鍵掃描模塊CSD2X[3]，最多可以掃描37個觸摸按鍵。該模塊具有兩個硬件掃描通道，可以同時完成位于兩個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的按鍵基線算法[4]，可以在快速掃描按鍵的同時，有效降低噪聲影響。

此外，該系列PSoC?芯片包含8個數字模塊和6個模擬模塊，提供最多38個通用I/O, 16Kbyte Flash，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上資源，包括10位SAR ADC，電壓參考源(VDAC)，I2C通信模塊，硬件實時時鐘(RTC)[5]。硬件實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芯片實現觸摸按鍵功能和系統主控操作。
CY8C22x45系列芯片休眠時的工作電流僅有3 uA[5]，芯片內包含一個休眠計數器，系統進入休眠后計數器開始遞減，當計數值為零時產生中斷喚醒系統。喚醒系統后可以不做任何處理再次進入休眠模式。這樣周而復始，達到所需要的整個休眠時間。在實際設計中，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間，該時間內完成所有必須操作（僅是一次循環判斷），此時的電流即為該休眠時間下的平均休眠電流。表 1 列出了常用休眠時間的平均休眠電流。
表 1 常用休眠時間的平均休眠電流

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

使用示波器可以測出系統掃描12個按鍵所需時間大約為1.388 ms。同時，可以測量到正常工作狀態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1.92 ms，需要連續休眠5次（9.6 ms），才可以得到低于1mA的平均待機電流，約為0.875mA；若一次休眠15.6 ms，休眠一次即可滿足要求，平均待機電流約為0.52mA。實際工程中采用了第二種休眠方式，實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一步討論
以上實例中系統的平均待機電流是0.565mA，雖然這個功耗滿足了系統的設計要求，但是在很多使用電池供電的場合是不行的。這是因為在待機時，系統掃描全部12個按鍵，用去了1.388ms的時間。如果能減小掃描按鍵的時間，那么還能夠降低系統的待機功耗。
??固定按鍵喚醒系統
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間。系統無需掃描所有的按鍵，只需掃描固定的一個按鍵，這可以大大降低在待機狀態下掃描按鍵的時間。以上述的應用為例，CY8C22x45系列PSoC支持雙通道并行掃描，12個按鍵均勻分布在兩個通道上，因此掃描一個按鍵約為0.231 ms。 如果休眠15.6 ms， 可以計算出此時平均待機電流只有0.113 mA，相比之前的0.52 mA的計算值，僅是其21%。如果休眠時間增加至40ms， 從表 1可以推算出此時平均休眠電流約為9 uA， 此時計算出平均待機電流僅為0.043 mA。
??任意按鍵喚醒系統
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足。Cypress特有的內部模擬總線的方式，可以將全部的按鍵組合成一個“大按鍵”。這樣系統待機時，只需要對這個“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，進行正常的按鍵掃描處理，區分哪個按鍵按下，進行任務處理。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
手指接近喚醒系統是Cypress的一項成熟的技術。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，也是使用一個“大按鍵”進行掃描。與上個方法不同的地方在于：不是當手指觸摸到鍵盤時喚醒系統，而是當手指靠近鍵盤時就喚醒系統。系統喚醒后立即將“大按鍵”分解為正常按鍵，進行按鍵掃描。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，還可以使產品增加豐富的功能特性。
5. 結語
?應用Cypress的CY8C22x45系列芯片以及獨有的CapSense技術，設計者可以用更快的時間掃描大量按鍵，用更長的時間讓系統休眠，結合其較低的休眠電流，在保證系統可靠性能的同時，可以實現較低的待機功耗，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。

此外，該系列PSoC?芯片包含8個數字模塊和6個模擬模塊，提供最多38個通用I/O, 16Kbyte Flash，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上資源，包括10位SAR ADC，電壓參考源(VDAC)，I2C通信模塊，硬件實時時鐘(RTC)[5]。硬件實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芯片實現觸摸按鍵功能和系統主控操作。
CY8C22x45系列芯片休眠時的工作電流僅有3 uA[5]，芯片內包含一個休眠計數器，系統進入休眠后計數器開始遞減，當計數值為零時產生中斷喚醒系統。喚醒系統后可以不做任何處理再次進入休眠模式。這樣周而復始，達到所需要的整個休眠時間。在實際設計中，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間，該時間內完成所有必須操作（僅是一次循環判斷），此時的電流即為該休眠時間下的平均休眠電流。表 1 列出了常用休眠時間的平均休眠電流。
表 1 常用休眠時間的平均休眠電流

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

使用示波器可以測出系統掃描12個按鍵所需時間大約為1.388 ms。同時，可以測量到正常工作狀態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1.92 ms，需要連續休眠5次（9.6 ms），才可以得到低于1mA的平均待機電流，約為0.875mA；若一次休眠15.6 ms，休眠一次即可滿足要求，平均待機電流約為0.52mA。實際工程中采用了第二種休眠方式，實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一步討論
以上實例中系統的平均待機電流是0.565mA，雖然這個功耗滿足了系統的設計要求，但是在很多使用電池供電的場合是不行的。這是因為在待機時，系統掃描全部12個按鍵，用去了1.388ms的時間。如果能減小掃描按鍵的時間，那么還能夠降低系統的待機功耗。
??固定按鍵喚醒系統
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間。系統無需掃描所有的按鍵，只需掃描固定的一個按鍵，這可以大大降低在待機狀態下掃描按鍵的時間。以上述的應用為例，CY8C22x45系列PSoC支持雙通道并行掃描，12個按鍵均勻分布在兩個通道上，因此掃描一個按鍵約為0.231 ms。 如果休眠15.6 ms， 可以計算出此時平均待機電流只有0.113 mA，相比之前的0.52 mA的計算值，僅是其21%。如果休眠時間增加至40ms， 從表 1可以推算出此時平均休眠電流約為9 uA， 此時計算出平均待機電流僅為0.043 mA。
??任意按鍵喚醒系統
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足。Cypress特有的內部模擬總線的方式，可以將全部的按鍵組合成一個“大按鍵”。這樣系統待機時，只需要對這個“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，進行正常的按鍵掃描處理，區分哪個按鍵按下，進行任務處理。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
手指接近喚醒系統是Cypress的一項成熟的技術。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，也是使用一個“大按鍵”進行掃描。與上個方法不同的地方在于：不是當手指觸摸到鍵盤時喚醒系統，而是當手指靠近鍵盤時就喚醒系統。系統喚醒后立即將“大按鍵”分解為正常按鍵，進行按鍵掃描。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，還可以使產品增加豐富的功能特性。
5. 結語
?應用Cypress的CY8C22x45系列芯片以及獨有的CapSense技術，設計者可以用更快的時間掃描大量按鍵，用更長的時間讓系統休眠，結合其較低的休眠電流，在保證系統可靠性能的