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如何設計和實現可延長電池壽命的低能量觸摸系統

放大字體??縮小字體 發布日期:2019-02-15 14:05:17 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:514
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觸摸感應屏幕為手持設備增添了許多功能。它們還可以節省(電池)壽命。盡管在過去幾年中設計低能耗系統取得了很大進展 - 電池能量密度更高,電子消耗更少,電源管理更精細 - 最常見的用戶投訴仍然是設備永遠不會持續足夠長的時間而不需要充電。

這些現代低功耗設備中的許多都使用觸摸傳感,這是一種廣為接受的技術,適用于現代和下一代設計。與它們連接的控制器曾經是笨拙,笨重,需要不斷校準。

新一代算法和方法改變了這一切。因此,現代設備的用戶可以期待清潔,可靠和良好實施的觸摸系統。

低功耗電子設備與觸摸系統的結合是下一個挑戰,在不影響功能的情況下減少能源使用。本文討論如何設計和實現低能量觸摸系統,以延長電池壽命和下一代設計的可用性。

透明與不透明

觸摸感應技術可分為兩大類:透明和不透明。我們在平板電腦和手機上熟悉的透明技術位于LCD屏幕之上,通常基于模擬電阻或電容觸摸技術。

如何設計和實現可延長電池壽命的低能量觸摸系統

圖1:銦錫氧化物等材料的變化阻力通過觸摸拉伸。

對于模擬電阻傳感器,由氧化銦錫等材料制成的導電層在受到壓力接觸時會改變電阻。通過測量每個軸的電壓,確定一個位置(見圖1)。由于彈性退化問題,大多數新設計使用電容技術。電阻式觸摸層取決于材料的彈性,并且隨著時間的推移,磨損會改變材料特性。

電容式傳感器類似地測量位置,但是通過使用相鄰的電極。可以感測放置在絕緣電極上的導電物體(如手指)的電容變化并用于確定位置。

不透明觸摸傳感器通常也是電容性的。按鈕可以像大型PCB墊一樣簡單,但對于滑塊和環,一系列銅表面用于通過這些元件之間的電容測量來檢測位置。

低成本,堅固且防水的設計可以利用不透明傳感器實現高級用戶界面,堅固,有彈性,耐用。即使是基于LCD的平板電腦和手機也可以利用不透明的傳感器來實現不會從顯示區域帶走的硬接線觸摸區。

低能耗架構

無論采用何種技術,系統都必須構建明智地使用能源管理計劃。只是將微控制器置于睡眠狀態不會削減它。喚醒系統可能需要觸摸事件。

通常,系統設計人員可以選擇是使用中斷還是輪詢來喚醒處于低能量睡眠模式的微控制器,但電容式觸摸系統并非如此。

使用電容式觸摸系統,感應電容通過保護涂層改變定時器振蕩器的時間常數。因此,必須使用門控計數器來生成用于確定印刷機的閾值。由于您不想添加外部邏輯,因此必須在微控制器中完成,這意味著它通常不會完全處于睡眠狀態。

將此與小型手持設備通常空間受限的事實相結合,理想的解決方案是單個片上微控制器具有在芯片上進行感應和處理所需的所有硬件資源。

大多數觸摸感應設計需要一個穩定的電流源為感應電容充電,一個模擬多路復用器將相應的元件路由到ADC或模擬比較器,定時器或計數器,以及對電容器放電的能力。此外,處理器應具有良好的節能模式和功能,特別是如果它不僅僅是一個專用的觸摸屏控制器。《 br》換句話說,如果一個高效,低功耗的微控制器具有執行觸摸屏處理和設備主要功能的能力,它通常比設計雙處理器系統更好。全功能解決方案

一家進軍觸摸控制器技術的公司是賽普拉斯半導體公司,該公司擁有可編程片上系統技術(PSoC)。 PSoC®系統是嵌入式混合信號器件系列,采用該公司的M8C核心處理器。這些哈佛架構控制器的運行速度高達24 MHz,性能達到4 MIPS。

豐富的數字和模擬資源(特別是模擬多路復用)使其成為低功耗觸摸屏控制的理想選擇(參見圖2)。該系列產品的亮度范圍為8 K至32 K,采用16引腳至48引腳封裝,最高可達2 K RAM。 1.8 V至5 V功率范圍還可以幫助最大限度地降低功耗并直接匹配電池電量。

如何設計和實現可延長電池壽命的低能量觸摸系統

圖2:PSoC模擬多路復用器和電流源在允許精確觸摸方面起著關鍵作用傳感應用。

性能水平也不錯。例如,CY8C20xx6A系列具有多達33個CapSense®I/O和6個帶本機I²C,SPIUSB的滑條。可以調整滑動傳感器靈敏度,并且可以實現插補分辨率,最高可達64 K的一部分。可以使用逐次逼近和Σ-Δ轉換技術。可以通過高達15毫米的玻璃覆蓋層感應接近,為脆弱的LCD提供更加堅固的保護。

功耗方面,采用這種技術的應用通常可以在1μA的睡眠電流下運行,在1-4 mA的電流下運行運行。通過該公司可免費下載的PSoC Designer™集成設計環境提供設計支持,具有圖形資源配置實用程序,以及內置調試器和ICE支持的免費C編譯器(和匯編器)。

功耗低,Scotty

對于某些要求苛刻的設計,需要更多的處理能力,同時減少能源消耗。這里有一個不同的思考過程。硬件和軟件模塊都采用了新的關系,因為解決方案的設計功耗很低。

Energy Micro的Gecko系列基于ARM®Cortex™-M3的處理器采用架構結構和資源,大大降低了運行功率下一代電池供電和手持設備。 EFM32系列有五個功能,可以降低功耗,而不僅僅是幾個低功耗模式。

Gecko真正脫穎而出的原因是核心如何在自主功能下進入休眠狀態仍然可以使用非常低的功率進行。獨特的Reflex Bus架構(參見圖3)允許建立基于狀態機的交互,因此可以在沒有微芯片喚醒的情況下進行整個事件序列的處理。

例如,在能量模式2中,LCD,實時時鐘,脈沖計數器,看門狗定時器,UARTI2C和模擬比較器都可以主動運行并監控外部世界,而核心和閃存處于靜態 - 關閉狀態(保留所有寄存器和設置值)。

如何設計和實現可延長電池壽命的低能量觸摸系統

圖3:EFM32微控制器中的外設反射系統可以在不涉及CPU的情況下直接將一個外設連接到另一個外設。該系統使外圍設備能夠產生其他外設可以消耗的信號,并在CPU休眠時立即做出反應。

在此模式下,系統消耗0.9μA并在2μs內喚醒至完全活動模式,消耗180 μA/兆赫。由于片上豐富的外設資源和低功耗有源處理,同樣的方法可用于實現功耗極低的電容式觸摸系統,其余功能足以成為系統處理器。

下一步向前邁進

除反射總線外,Energy Micro還實施了低能耗傳感器接口(LESENSE),可進一步降低能耗。通過將定時器功能移至能量模式2,該器件可以通過比較器執行門控計數器功能。

這使得內核可以保持睡眠狀態,而自由運行的RC張弛振蕩器可以為多達16個電容傳感器輸入提供數組(參見圖4)。用戶可調節的反饋電阻可以控制電容式傳感器的充電速率,以便在使用較慢的輪詢時進一步降低功率。

如何設計和實現可延長電池壽命的低能量觸摸系統

圖4:低 - 功率張弛振蕩器使用觸摸電容器元件作為其頻率的源。較低的頻率偏移表示電容元件(例如手指)靠近傳感器焊盤。

比較器輸出驅動內部開關以選擇控制電容充電速率的參考電壓。然后,振蕩電壓產生頻率波形,該頻率波形被選通以產生指示是否存在接近的手指(或電容性物體)的頻率。當大電容(手指)靠近焊盤時會發生頻率降低,這會使數字閾值檢測器跳閘并喚醒內核(見圖5)。

如何設計和實現可延長電池壽命的低能量觸摸系統

圖5:張弛振蕩器通過設置電容波形的電壓閾值來形成。

設置數字

不透明傳感器的PCB布局取決于平行銅距和緊密間距。電容只是一個因素;實際上有五個因素會影響振蕩。除了PCB電容(C)之外,還有串聯電阻,上限閾值電壓設置和下限閾值電壓設置。電源電壓也會影響頻率。

電容在VTL和VTH之間充電的周期(T)由下式給出:

T = RC x ln((Vdd - VTL)/(Vdd - VTH ))

VTH和VTL之間的放電時間與充電時間相同,因此振蕩頻率由下式給出:

F = 1/(2 x T)(2.3)

這讓設計人員可以決定在特定時間范圍內會發生多少次振蕩。將LESENSE閾值調整到正確的數字將喚醒微控制器。

另一個需要考慮的因素是大型PCB傳感器對手等較大物體更敏感。您可以通過移除接地層來提高靈敏度,但您會對EMI和噪聲更敏感。中間路線的方法是在傳感器和周圍的地平面之間留出空間,因此場線指向用戶。

將其用于測試

幸運的是,有一個開發板來自Energy Micro的實施電容式觸摸傳感器和一些額外的低能量感應電路。

Tiny Gecko入門套件是USB可編程ARM Cortex-M3(EFM32TG840F32)演示和開發套件。它包含一個能量監視器,用于測量和驗證USB或電池模式下的低功耗操作。

除了直接驅動的8x20段LCD,按鈕和用戶LED外,Tiny Gecko入門套件還包含觸摸功能電容滑塊和軟件實現了極低功耗的觸摸界面。其他傳感器是電阻式,光級,金屬感應傳感器,也可以在微控制器處于睡眠狀態時運行。

從哪里開始

現有多種OEM解決方案可滿足許多觸摸系統要求。各種標準尺寸的模擬電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏可直接用于多種設計。甚至觸摸屏控制器也可從OEM供應商處獲得,并且可以很好地滿足許多應用。例如,3M™MicroTouch™系列控制器可為不同尺寸的電容式觸摸屏提供各種支持的觸摸設備。其基于ASIC的控制器通常消耗500μA的休眠電流,但在工作期間通常需要75至85 mA的電流。對于POS系統,游戲機,工業系統和信息亭等功耗不敏感的應用,這是一種理想的解決方案。小型低功耗手持系統通常不能使用固定解決方案。尺寸限制,成本限制和功率限制將無法滿足手持設備用戶的需求。

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關鍵詞: 壽命 觸摸 能量


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