一种低功耗触摸按键应用的设计方法

1、一种低功耗触摸按键应用的设计方法一种低功耗触摸按键应用的设计方法 作者：佚名 文章来源：/doc/046880708e9951e79b892724.html 点击数：8 更新时间：2021-12-14引言触摸式按键随着iPod 等消费类电子的流行而迅速发展，这一方面因为相关技术的不断进步，可以提供更加稳定的性能；另一方面也因为同类电子产品的基本功能趋同，生产商更加关注如何为用户提供舒适、便捷、具有创意的人机交互界面。在这一点上，与传统机械式按键相比，触摸式按键有着其无法比拟的巨大优势。现有市场上的触摸式按键方案，其工作原理都是检测手指触摸引起的电路

2、微小变化量，进而将其转化为逻辑上的按键开关操作。在诸多检测方法中，又以电容式检测居多，这种检测方法在扫描时需对电容的充放电，因此不可避免会增加产品功耗。对于一些功耗敏感的应用来说，如何实现低功耗的触摸按键是关键技术环节。Cypress 作为电容式触摸按键芯片领域的领导者，一直致力提供高效、可靠、贴近用户需求的芯片与解决方案。本文即基于Cypress 的CY8C22x45系列芯片，介绍了一种低功耗触摸按键应用设计方法。2.低功耗设计方法如图 1所示，对于电容式触摸按键，手指的触摸会改变感应电容Cx ，当检测电路对Cx 充放电时，Cx 值的变化会引起电路信号变化，通过一定的检测电路可以测量出该变化

3、，从而判断手指是否存在。不过，系统整体功耗因为频繁的扫描Cx 的大小而增加。对于输入电压一定的系统来说，其功耗主要取决于平均工作电流，即Powerave = Vdd * Iave2 公式1其中，Vdd 是系统工作电压，Iave 是系统平均工作电流。从公式1中可以看出，系统的功耗由系统的平均工作电流决定。降低平均工作电流的方法通常有两种：第一种是在不改变系统有效工作时间的前提下降低系统的工作电流；第二种减少系统的有效工作时间，增加系统的休眠时间。往往只采用第一种办法不能将平均工作电流降低到一个理想的水平，所以需要结合第二种的方法。在触摸按键系统的实际工作中将，相当一部分时间系统处于无任何按键按下

4、的空闲状态。在这段时间内可以用软件将系统配置为休眠模式。触摸按键芯片一般都提供休眠模式，该模式具有很低工作电流。因此，如果能够合理安排系统工作时间，令其空闲时进入休眠模式，就可降低平均工作电流，从而减少系统功耗。 图 2是一个具有休眠功能的典型系统软件流程图。 此方法是将以上方法中的任务处理进行分解，分为触发新任务，处理任务。目的就是减小在每个循环周期内部执行任务的所花费的CPU资源。与上一个方法的不同在于：系统唤醒扫描按键程序，当判断按键有效时，触发新任务，并不是将所有的任务处理完毕。在当前的循环周期内，触发的新任务可能没有处理完毕，需要下一个或者更多个系统循环的时间才可以完成。当判断按键无

5、效时，不是马上进入休眠模式，而是判断是否有没有处理完毕的任务。如果有则继续处理；如果没有则进入休眠模式。此方法可以处理比较复杂的任务，能满足更多应用领域的需求。如果没有有效按键触发，那么系统工作在最大的省电模式。不论哪种方法，系统平均工作电流可由公式2计算得出。Iave =(Tscan * Iscan + Tsleep * Isleep) / (Tscan + Tsleep) 公式2其中，Tscan是一次扫描按键所需时间，Iscan是按键扫描时的工作电流，Tsleep是休眠时间，Isleep是休眠时的工作电流。Isleep会远远小于Iscan。一般来说，为了保证一定的按键灵敏度，Iscan可调

6、整的空间有限，因此较快的扫描速度，较小的休眠电流，较长的睡眠时间是降低系统功耗的关键。在实际设计中，考虑的因素更为复杂，除了上述之外，还需考虑按键的响应时间和按键的灵敏度、等。最大休眠时间决定了系统的响应时间，对于相同的Iave，Iscan和Isleep，较长的Tscan会引起Tsleep的增加，从而无法满足系统的响应时间；如果减少扫描时间，可能会无法有效减少系统噪声影响，降低信噪比，影响按键的灵敏度。因此，低功耗触摸系统设计需要灵敏，可靠，快速的触摸按键扫描技术。3. 基于CY8C22x45的低功耗设计实例Cypress的CY8C22x45系列PSoC?芯片可以有效的实现上述目标。该系列芯片

7、内部包含一个独立硬件实现的CapSense触摸按键扫描模块C SD2X3，最多可以扫描37个触摸按键。该模块具有两个硬件扫描通道，可以同时完成位于两个通道上一对按键的扫描，提高了按键扫描速度。该模块包含内置的Cx充电电路，结合Cypress的按键基线算法4，可以在快速扫描按键的同时，有效降低噪声影响。此外，该系列PSoC?芯片包含8个数字模块和6个模拟模块，提供最多38个通用I/O, 16Kbyte Flash，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上资源，包括10位SAR ADC，电压参考源(VDAC)，I2C通信模块，硬件实时时钟(RTC)5。硬件实现的触摸按键扫描模块和丰富的数字、模拟模块

8、资源，使得可以用一块CY8C22x45芯片实现触摸按键功能和系统主控操作。CY8C22x45系列芯片休眠时的工作电流仅有3 uA5，芯片内包含一个休眠计数器，系统进入休眠后计数器开始递减，当计数值为零时产生中断唤醒系统。唤醒系统后可以不做任何处理再次进入休眠模式。这样周而复始，达到所需要的整个休眠时间。在实际设计中，常常使用平均休眠电流替代公式2中的Isleep，即在每次休眠结束后，仅让系统正常工作最短时间，该时间内完成所有必须操作（仅是一次循环判断），此时的电流即为该休眠时间下的平均休眠电流。表 1 列出了常用休眠时间的平均休眠电流。图4是一个触摸按键应用中一次典型的按键波形，每个按键按下后

9、，系统都需输出对应的电压值以供其他系统检测。该应用要求响应时间小于等于40ms，当按键被长按时，需要一直输出按键电压，即使按键释放后，仍需250 ms时间保持原有按键电压，之后停止输出按键电压，进入空闲状态。系统共包含12个触摸按键，当多个按键被同时按下时，系统不响应。系统低功耗设计要求为，系统待机时没有按键操作的平均电流应至少小于1 mA。使用示波器可以测出系统扫描12个按键所需时间大约为1.388 ms。同时，可以测量到正常工作状态下系统的工作电流大约为6mA。根据公式2以及表1，若一次休眠1.92 ms，需要连续休眠5次（9.6 ms），才可以得到低于1mA的平均待机电流，约为0.875

10、mA；若一次休眠15.6 ms，休眠一次即可满足要求，平均待机电流约为0.52mA。实际工程中采用了第二种休眠方式，实际测量到的平均待机电流值为0.565mA，与计算值相近。4. 降低功耗和唤醒方式的进一步讨论以上实例中系统的平均待机电流是0.565mA，虽然这个功耗满足了系统的设计要求，但是在很多使用电池供电的场合是不行的。这是因为在待机时，系统扫描全部12个按键，用去了1.388ms的时间。如果能减小扫描按键的时间，那么还能够降低系统的待机功耗。固定按键唤醒系统采用固定按键的方式唤醒系统能有效的降低系统扫描按键的时间。系统无需扫描所有的按键，只需扫描固定的一个按键，这可以大大降低在待机状态

11、下扫描按键的时间。以上述的应用为例，CY8C22x45系列PSoC支持双通道并行扫描，12个按键均匀分布在两个通道上，因此扫描一个按键约为0.231 ms。如果休眠15.6 ms，可以计算出此时平均待机电流只有0.113 mA，相比之前的0.52 mA的计算值，仅是其21%。如果休眠时间增加至40ms，从表1可以推算出此时平均休眠电流约为9 uA，此时计算出平均待机电流仅为0.043 mA。任意按键唤醒系统如果系统要求任意按键唤醒系统，那么以上介绍的固定按键唤醒系统方法不能满足。Cypress特有的内部模拟总线的方式，可以将全部的按键组合成一个“大按键”。这样系统待机时，只需要对这个“大按键”扫描一次，就能判断是否有手指触摸到任何按键上。不论任何一个按键被手指触摸，都可以唤醒系统。系统唤醒后，将“大按键”分解，进行正常的按键扫描处理，区分哪个按键按下，进行任务处理。使用这种方法，系统的待机平均电流与使用固定按键唤醒系统的方法相同。手指接近唤醒系统手指接近唤醒系统是Cypress的一项成熟的技术。此方法是建立在任意按键唤醒系统方法基础之上的。在系统待机时，也是使用一个“大按键”进行扫描。与上个方法不同的地方在于：不是当手指触摸到键盘时唤醒系统，而是当手指靠近键盘时就唤醒系统。系统唤醒后立即将“大按键”分解为正常按键，进行按键