中心議題：
- 低功耗觸摸按鍵的應(yīng)用設(shè)計方法
- 降低功耗和喚醒方式的討論
解決方案：
- 基于CY8C22x45的低功耗設(shè)計
- 按鍵喚醒系統(tǒng)
觸摸式按鍵隨著iPod等消費(fèi)類電子的流行而迅速發(fā)展，這一方面因?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以提供更加穩(wěn)定的性能；另一方面也因?yàn)橥愲娮赢a(chǎn)品的基本功能趨同，生產(chǎn)商更加關(guān)注如何為用戶提供舒適、便捷、具有創(chuàng)意的人機(jī)交互界面。在這一點(diǎn)上，與傳統(tǒng)機(jī)械式按鍵相比，觸摸式按鍵有著其無法比擬的巨大優(yōu)勢。
現(xiàn)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(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為邏輯上的按鍵開關(guān)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(chǎn)品功耗。對于一些功耗敏感的應(yīng)用來說，如何實(shí)現(xiàn)低功耗的觸摸按鍵是關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。
Cypress作為電容式觸摸按鍵芯片領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)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(yīng)用設(shè)計方法。
1.低功耗設(shè)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(yīng)電容Cx，當(dāng)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(tǒng)整體功耗因?yàn)轭l繁的掃描Cx的大小而增加。
對于輸入電壓一定的系統(tǒng)來說，其功耗主要取決于平均工作電流，即
Powerave=Vdd*Iave………………………………公式1
其中，Vdd是系統(tǒng)工作電壓，Iave是系統(tǒng)平均工作電流。從公式1中可以看出，系統(tǒng)的功耗由系統(tǒng)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(tǒng)有效工作時間的前提下降低系統(tǒng)的工作電流；第二種減少系統(tǒng)的有效工作時間，增加系統(tǒng)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(jié)合第二種的方法。在觸摸按鍵系統(tǒng)的實(shí)際工作中將，相當(dāng)一部分時間系統(tǒng)處于無任何按鍵按下的空閑狀態(tài)。在這段時間內(nèi)可以用軟件將系統(tǒng)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(tǒng)工作時間，令其空閑時進(jìn)入休眠模式，就可降低平均工作電流，從而減少系統(tǒng)功耗。
圖2是一個具有休眠功能的典型系統(tǒng)軟件流程圖。系統(tǒng)初始化后進(jìn)入休眠模式，經(jīng)過一段時間的延時后喚醒掃描按鍵模塊，進(jìn)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(tǒng)繼續(xù)進(jìn)入休眠模式。如果軟件判斷按鍵有效，那么喚醒系統(tǒng)，觸發(fā)任務(wù)處理進(jìn)程。當(dāng)處理完所有任務(wù)后，系統(tǒng)又重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。這是個典型的具有休眠功能的系統(tǒng)工作流程圖，它的優(yōu)點(diǎn)就是此軟件流程簡單易懂、容易實(shí)現(xiàn)，一般可以滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用。但是，如果系統(tǒng)任務(wù)處理消耗了較多的CPU處理時間，那么為了達(dá)到目標(biāo)平均工作電流，就需要相應(yīng)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(tǒng)喚醒的響應(yīng)時間。因此，此方法適合比較簡單的、系統(tǒng)任務(wù)不復(fù)雜的應(yīng)用。
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圖3是一個具有休眠功能的復(fù)雜系統(tǒng)軟件流程圖。此方法是將以上方法中的任務(wù)處理進(jìn)行分解，分為觸發(fā)新任務(wù)，處理任務(wù)。目的就是減小在每個循環(huán)周期內(nèi)部執(zhí)行任務(wù)的所花費(fèi)的CPU資源。與上一個方法的不同在于：系統(tǒng)喚醒掃描按鍵程序，當(dāng)判斷按鍵有效時，觸發(fā)新任務(wù)，并不是將所有的任務(wù)處理完畢。在當(dāng)前的循環(huán)周期內(nèi)，觸發(fā)的新任務(wù)可能沒有處理完畢，需要下一個或者更多個系統(tǒng)循環(huán)的時間才可以完成。當(dāng)判斷按鍵無效時，不是馬上進(jìn)入休眠模式，而是判斷是否有沒有處理完畢的任務(wù)。如果有則繼續(xù)處理；如果沒有則進(jìn)入休眠模式。此方法可以處理比較復(fù)雜的任務(wù)，能滿足更多應(yīng)用領(lǐng)域的需求。
如果沒有有效按鍵觸發(fā)，那么系統(tǒng)工作在最大的省電模式。不論哪種方法，系統(tǒng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于Iscan。一般來說，為了保證一定的按鍵靈敏度，Iscan可調(diào)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(tǒng)功耗的關(guān)鍵。
在實(shí)際設(shè)計中，考慮的因素更為復(fù)雜，除了上述之外，還需考慮按鍵的響應(yīng)時間和按鍵的靈敏度等。最大休眠時間決定了系統(tǒng)的響應(yīng)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(tǒng)的響應(yīng)時間；如果減少掃描時間，可能會無法有效減少系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計需要靈敏，可靠，快速的觸摸按鍵掃描技術(shù)。
2.基于CY8C22x45的低功耗設(shè)計實(shí)例
Cypress的CY8C22x45系列PSoC®芯片可以有效的實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。該系列芯片內(nèi)部包含一個獨(dú)立硬件實(shí)現(xiàn)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(nèi)置的Cx充電電路，結(jié)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(shù)字模塊和6個模擬模塊，提供最多38個通用I/O,16KbyteFlash，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上資源，包括10位SARADC，電壓參考源(VDAC)，I2C通信模塊，硬件實(shí)時時鐘(RTC)[5]。硬件實(shí)現(xiàn)的觸摸按鍵掃描模塊和豐富的數(shù)字、模擬模塊資源，使得可以用一塊CY8C22x45芯片實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵功能和系統(tǒng)主控操作。
CY8C22x45系列芯片休眠時的工作電流僅有3uA[5]，芯片內(nèi)包含一個休眠計數(shù)器，系統(tǒng)進(jìn)入休眠后計數(shù)器開始遞減，當(dāng)計數(shù)值為零時產(chǎn)生中斷喚醒系統(tǒng)。喚醒系統(tǒng)后可以不做任何處理再次進(jìn)入休眠模式。這樣周而復(fù)始，達(dá)到所需要的整個休眠時間。在實(shí)際設(shè)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(jié)束后，僅讓系統(tǒng)正常工作最短時間，該時間內(nèi)完成所有必須操作（僅是一次循環(huán)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。
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圖4是一個觸摸按鍵應(yīng)用中一次典型的按鍵波形，每個按鍵按下后，系統(tǒng)都需輸出對應(yīng)的電壓值以供其他系統(tǒng)檢測。該應(yīng)用要求響應(yīng)時間小于等于40ms，當(dāng)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250ms時間保持原有按鍵電壓，之后停止輸出按鍵電壓，進(jìn)入空閑狀態(tài)。系統(tǒng)共包含12個觸摸按鍵，當(dāng)多個按鍵被同時按下時，系統(tǒng)不響應(yīng)。系統(tǒng)低功耗設(shè)計要求為，系統(tǒng)待機(jī)時沒有按鍵操作的平均電流應(yīng)至少小于1mA。
使用示波器可以測出系統(tǒng)掃描12個按鍵所需時間大約為1.388ms。同時，可以測量到正常工作狀態(tài)下系統(tǒng)的工作電流大約為6mA。根據(jù)公式2以及表1，若一次休眠1.92ms，需要連續(xù)休眠5次（9.6ms），才可以得到低于1mA的平均待機(jī)電流，約為0.875mA；若一次休眠15.6ms，休眠一次即可滿足要求，平均待機(jī)電流約為0.52mA。實(shí)際工程中采用了第二種休眠方式，實(shí)際測量到的平均待機(jī)電流值為0.565mA，與計算值相近。
3.降低功耗和喚醒方式的進(jìn)一步討論
以上實(shí)例中系統(tǒng)的平均待機(jī)電流是0.565mA，雖然這個功耗滿足了系統(tǒng)的設(shè)計要求，但是在很多使用電池供電的場合是不行的。這是因?yàn)樵诖龣C(jī)時，系統(tǒng)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(tǒng)的待機(jī)功耗。
固定按鍵喚醒系統(tǒng)
采用固定按鍵的方式喚醒系統(tǒng)能有效的降低系統(tǒng)掃描按鍵的時間。系統(tǒng)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(jī)狀態(tài)下掃描按鍵的時間。以上述的應(yīng)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0.231ms。如果休眠15.6ms，可以計算出此時平均待機(jī)電流只有0.113mA，相比之前的0.52mA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9uA，此時計算出平均待機(jī)電流僅為0.043mA。
任意按鍵喚醒系統(tǒng)
如果系統(tǒng)要求任意按鍵喚醒系統(tǒng)，那么以上介紹的固定按鍵喚醒系統(tǒng)方法不能滿足。Cypress特有的內(nèi)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(tǒng)待機(jī)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(tǒng)。系統(tǒng)喚醒后，將“大按鍵”分解，進(jìn)行正常的按鍵掃描處理，區(qū)分哪個按鍵按下，進(jìn)行任務(wù)處理。使用這種方法，系統(tǒng)的待機(jī)平均電流與使用固定按鍵喚醒系統(tǒng)的方法相同。
手指接近喚醒系統(tǒng)
手指接近喚醒系統(tǒng)是Cypress的一項(xiàng)成熟的技術(shù)。此方法是建立在任意按鍵喚醒系統(tǒng)方法基礎(chǔ)之上的。在系統(tǒng)待機(jī)時，也是使用一個“大按鍵”進(jìn)行掃描。與上個方法不同的地方在于：不是當(dāng)手指觸摸到鍵盤時喚醒系統(tǒng)，而是當(dāng)手指靠近鍵盤時就喚醒系統(tǒng)。系統(tǒng)喚醒后立即將“大按鍵”分解為正常按鍵，進(jìn)行按鍵掃描。相對于任意按鍵喚醒系統(tǒng)方法，這種方法能加快系統(tǒng)對按鍵的相應(yīng)速度，還可以使產(chǎn)品增加豐富的功能特性。
4.結(jié)語
應(yīng)用Cypress的CY8C22x45系列芯片以及獨(dú)有的CapSense技術(shù)，設(shè)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(tǒng)休眠，結(jié)合其較低的休眠電流，在保證系統(tǒng)可靠性能的同時，可以實(shí)現(xiàn)較低的待機(jī)功耗，為觸摸按鍵應(yīng)用的低功耗設(shè)計提供了一種良好的解決方案。
