【经验】Silicon Labs集成电容式传感技术的MCU在超低功耗用户界面设计中的应用

时间： 2018-10-18 来源：Silicon Labs

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由于成本低，寿命长，外观好的优势，用于人机界面应用的电容式传感迅速普及。电容开关、滑动条和控制轮代替了机械按钮开关和电位计，实现对比度、音量控制和通电等功能。设计超低功耗电容式传感系统的关键在于其系统定义，这是每个嵌入式系统设计的起点。完成定义所需的步骤是创建功耗、定义功率模式，以及识别需要在每个功率模式中执行的系统任务。本方案将讨论如何使用电容式传感技术设计超低功耗的用户界面。

确定系统功耗

首先，要确认在不更换电池的情况下，系统需要运行多长时间。对于某些系统来说，电池只需要持续6个月。然而，一些系统被密封或放置在不能更换电池的偏远地区，则所需的电池寿命要10到15年。在确定电池寿命后，应选择系统供电电池。在许多情况下，成本或形状是最重要的参考因素。但是，对于需要极长电池寿命的系统，应考虑其他因素，如保存期限。最后，应该使用在所选电池的电池数据表中找到的电池容量信息来计算功耗。可参考以下公式（需注意，系统的总平均电流应小于功耗规定的最大平均电流）：

功耗模式：

任何低功率系统都有两种主要功率模式：活动和空闲。人机交互设备大部分时间在空闲模式，仅在与人交互时切换到活动模式。活动模式的主要目的是在短时间内提供良好的用户界面。非活动模式的主要目的是延长电池寿命。当用户与设备交互时，将启用活动模式。应用使用的所有电容感应输入都需要进行采样，并在滑动条和控制轮上执行手势检测。活动模式下的开关采样率通常设置在20-125Hz范围内，以确保响应用户界面。大多数应用的活动模式目标电流范围为100至500μA。

为了实现低活动模式电流，有必要将活动模式任务分成两类。第一类任务要求CPU处于活动状态，例如确定系统状态、处理电容传感器数据或其他内存任务。第二类硬件任务可以在空闲模式下由CPU完成，例如对电容传感器采样、进行ADC测量等。将这些任务分割成不同的功率模式允许将电源电流分配给每个功率模式。然后，可以对两个活动功率模式进行平均，以获得“活动模式电流”的最终值。

空闲模式的主要目标是延长电池寿命。空闲模式应实现低功率“触摸唤醒”算法，以确定何时需要将系统切换到活动模式。常见的“触摸唤醒”算法以1-10Hz的速率周期性地采样，以检查手指是否已被放置在电容式触摸板上。在大多数应用中，空闲模式的目标功耗为1至3μA。

硬件设计：

超低功耗电容式感应嵌入式系统的硬件设计，首先要确定所需的电容式触摸板的数量。所需的电容式触摸输入的数量取决于用户界面的复杂性。用户界面中的每个按钮都需要一个电容式触摸输入。滑动条和控制轮通常采用4到8个输入。一旦确定了电容传感输入的数量，就可以继续进行MCU选择；选择超低功耗电容式感应MCU。本方案推荐SILICON LABS推出的C8051F99x系列超低功耗电容式传感MCU，其功效高且超低功耗睡眠模式下支持周期性唤醒。

C8051F99x系列具有“多通道检测”功能，可在运行时将多个通道绑定在一起，并使用单次转换进行检测。此功能可用于在多按钮配置中实现任何按钮上的低功率唤醒。其外设（CS0）具有内置振荡器，可控制与系统时钟无关的转换时序，这使MCU在进行转换时进入低功耗挂起模式。CS0外设能够在电容式感应转换完成后将MCU从挂起模式唤醒，这样可以在转换时将电源电流降至120μA；另外，在嘈杂的环境中，为了提高分辨率，需要多个电容传感转换。产品可自动平均1、4、8、16、32或64次转换，而无需任何CPU干预。在所有的转换被累加和平均之后，CPU也可以进入挂起模式等待被唤醒；最后，使用电容式触摸技术的用户界面只需要很少的外部组件，设计起来非常简单。图1所示为基于C8051F990的滑动条评估板实物图。

图1 C8051F990滑动条评估板实物图

BOM组件：

• 电源：CR2032电池座和1μF大容量去耦电容器。在本设计中，由于CR2032电池具有较高的输出阻抗，并且其峰值输出电流有限，所以使用大容量电容器。增加电容器可以保护电池，并通过瞬间向系统提供满足峰值电流需求的必要电荷来增加电源的峰值输出电流。电池只需要向电容器提供“平均电流”，以维持电源电压。

• MCU电路：使用的是Silicon Labs 的C8051F990单片机，它封装在一个小的3x3mm封装中，提供16个I/O引脚。唯一需要的外部组件是复位引脚的上拉电阻（抗噪声）和靠近VDD引脚的小型解耦电容器。

• LED：在这个设计中有10个LED和10个与LED相关的限流电阻器。

• 电容式感测垫：在该评估板上使用六个电容感测垫，可以用作“按钮”或组合成“滑动条”。电容感测垫可直接连接到MCU上的电容感测引脚。C8051F990提供13个具有电容感应能力的引脚。

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hua Lv4. 资深工程师 2018-11-06

不错
先天二极管 Lv8. 研究员 2018-11-02

学习了
生逝如花草 Lv7. 资深专家 2018-10-18

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kaka520amy Lv8. 研究员 2018-10-18

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