| 電容式觸摸感應是一項用于在智能手機、平板電腦、液晶和LED電視等各種電子應用中實現直觀用戶界面（UI）的流行技術。觸摸按鍵正在快速取代傳統的機械按鍵。不過，與本身提供用戶觸覺反饋的機械按鍵不同，觸摸按鍵需要額外的組件才能提供反饋。LED廣泛用于實現視覺反饋，并為基于觸摸的UI提供背光照明。
一些應用除了簡單地開啟和關閉LED之外還需要更多視覺效果。舉例來說，筆記本電腦可在設備待機狀態下讓電源LED閃爍，亮度發生明暗變化，形成一種所謂的呼吸效應，這也是設備中使用的眾多LED效果（淡入淡出或閃爍）之一。高級LED效果結合電容式觸摸按鍵能提高系統的美感并改善用戶體驗。
我們通常希望使用同一片上系統（SoC）來實現多種特性，從而降低BOM成本。在共有四部分的系列文章中，我們將介紹用同一SoC實現電容式感應和LED照明的不同方面，包括：
●我們將通過實際使用案例簡單介紹電容式感應型UI應用中所采用的不同LED照明技術。
●脈沖寬度調節（PWM）是實現LED效果的常見技術之一。我們將分析采用PWM技術的不同LED效果實現方案，從而探討如何選擇適當的SoC。
●在同一SoC中整合實現多種特性肯定會充滿挑戰。要確保設計的高健碩性，就必須解決這些挑戰。我們將討論的常見挑戰包括：LED和電容式傳感器之間的串擾、驅動強度功能、導致電容式感應子系統內部噪聲的LED負載瞬態以及避免方法。
●功耗優化對于任何電子系統都非常重要。我們將討論需要LED效果的應用的低功耗設計考慮因素。
LED效果
高效的用戶界面設計需要在具備電容式觸摸按鍵情況下提供某種用戶反饋功能。當用戶按壓機械按鍵時，機械按鍵本身就具備觸覺反饋功能。然而電容式按鍵則不能提供這種觸覺反饋。因此，采用電容式觸摸按鍵的UI可以采用不同的反饋形式，包括視覺、音效、觸覺等。根據用戶界面設計，也可組合采用多種不同類型的反饋。在這些反饋類型中，用LED實現視覺反饋是一種常見的選擇。我們在此將介紹一些不同類型的LED效果及其使用案例。
傳感器狀態驅動的LED控制
為了改進對用戶的視覺反饋或模仿機械開關，LED可在固件中采取多種不同的控制方式。一些常見的方法包括：
1.LED開關
這是最簡單的LED效果類型，通常用來顯示觸摸狀態。LED位于傳感器導體片背后作為背光。當有觸摸時，此LED點亮為按鍵提供照明，沒有觸摸時LED就關閉。該應用實例為Samsung Galaxy S4等Android手機的菜單或后退按鍵。
2.閃爍
電視機制造商通常為不同型號的電視提供標準的遙控器。遙控器上的某些按鍵可能不支持某些型號的電視機。在此情況下，如果觸摸的按鍵無效，可通過LED閃爍背光效果來發出提示，這是通過周期性開關LED來實現的。
3.切換
設想一下，房間燈光用機械開關控制。按下一次開關，燈會打開。只要開關繼續保持這種狀態，燈就會一直開著。再按一次開關，燈就會熄滅。切換特性類似于這種機械切換開關。當觸摸電容式按鍵時，相應的LED燈會點亮。即便用戶手指離開按鍵，LED燈還會一直亮著。如果用戶再次觸摸按鍵，LED燈就會關閉。也就是說，在每個電容式傳感器狀態的上升沿，輸出狀態都會切換其狀態，具體如下圖所示。CS0反映傳感器狀態，而GPO0反映LED狀態。
圖1：LED切換
4.LED開啟時間
通常對于電容式按鍵來說，LED直接位于按鍵之下，從中心位置發光。用戶手指放在按鍵上，LED就會被隱藏起來。在此情況下，如果用戶手剛從按鍵上拿開LED燈就馬上關閉，那么用戶可能難以確定按鍵操作到底成功沒有。為此，我們可以讓LED在觸摸結束后保持“開啟”一小段時間，從而為用戶提供更好的視覺反饋。這種特性就叫LED開啟時間，如圖2所示。
圖2：LED開啟時間
高級LED效果
通過改變LED燈的亮度能夠實現許多高級效果。設想一下，一臺電視機的前面板可通過觸摸按鍵實現不同操作，包括調節音量等。下圖就是電視機面板的一個實例。
圖3：采用背光觸摸按鍵的電視前面板
面板為全黑色，表面光亮，匹配邊角設計和美學效果要求。為了讓用戶能在黑暗條件下方便控制，按鍵始終用低亮度LED點亮。如果觸摸到按鍵，LED亮度會提高。
PWM是LED亮度控制應用中的關鍵技術。通過改變PWM輸出的占空比，我們能如圖4一樣調節LED亮度，從而讓用戶界面的亮度對應于按鍵狀態和環境光條件。事實上，改變亮度正是呼吸、淡入淡出等高級效果的基礎所在。我們將在第二部分介紹PWM的設計參數和多種不同實現方案。
圖4：LED亮度控制
1.LED淡入淡出
淡入淡出就是讓亮度逐級變化。低亮度變為高亮度叫淡入，相反的就叫淡出。通過不同LED狀態之間的一系列小步驟逐漸改變占空比，我們能實現淡入淡出效果（見下圖）。
圖5：LED淡入淡出
2.LED呼吸
我們在本文開始處通過筆記本電腦的電源鍵為例簡單介紹了一下呼吸效應。持續地逐漸提升或逐漸下降兩級之間的占空比能讓LED形成“呼吸”的效果，如圖6所示。待機模式下電源按鍵支持呼吸效應能告訴用戶電源按鍵是活動狀態并能進行操作。
圖6：LED呼吸
一些廠商已經推出了用單芯片實現上述高級LED效果和電容式感應的可配置型器件，比方說賽普拉斯的CY8CMBR2110和CapSense MBR3。
我們在本部分中通過實際使用案例介紹了電容式感應型UI應用中所采用的不同LED照明技術。在第二部分中，我們將介紹實現PWM的不同方法。
下面我們將了解一下實現脈沖寬度調制（PWM，面向LED控制應用的關鍵技術）的各種不同方法。
PWM有兩大屬性：
頻率：用PWM信號快速開關LED，由于開關頻率會產生LED閃爍，因此PWM頻率應大于100 Hz，確保人眼不會感覺到閃爍。
占空比：PWM通過改變占空比、保持負載電流恒定以控制LED的亮度。LED的平均電流取決于占空比。平均電流會隨占空比的提升而升高，進而提高亮度。占空比在0%和100%之間的步長數量應滿足應用中需要調節的不同亮度級數量要求。舉例來說，如果應用在完全關閉（0%）到完全開啟（100%）之間需要20個亮度級，那么就應支持5%的步長（除完全關閉之外包含20個步長）。
用微控制器實現PWM有兩種方法。我們可用簡單的定時器/計數器在固件中實現整個PWM邏輯，也可以選擇集成硬件PWM功能的高級控制器來實現。
基于固件的PWM實現方案
簡單的固件實現方案需要定時器和中斷服務子程序（ISR）。定時器在與占空比每個步長大小的相同時間內創造中斷。舉例來說，如果PWM周期為10ms（100Hz）而步長大小為1ms（10%的占空比），那么定時器就要每1ms對CPU發出中斷，即：定時器周期 = 脈沖寬度/步長大小。
圖1給出了ISR中的邏輯。PULSE_WIDTH和ON_TIME代表PWM步長數量的脈沖寬度和開啟時間。舉例來說，PULSE_WIDTH = 5即滿足5個亮度級的要求，而ON_TIME = 2則滿足40%的占空比要求。ISR變量isrVar控制輸出何時切換開/關。該邏輯可方便地進行擴展，從而支持多個LED引腳，而每個LED都有不同的占空比。
圖1：固件PWM ISR邏輯
基于硬件的PWM實現方案
高級控制器有驅動PWM的專用硬件塊。舉例來說，賽普拉斯的PSoC4有一個TCPWM硬件塊，能實現基于硬件的PWM驅動。通常說來，我們用帶有比較功能的定時器來實現它，邏輯類似于上面討論的固件邏輯。定時器將采用比較寄存器和周期寄存器。周期寄存器載入的值等于脈沖寬度，而比較寄存器載入的值等于開啟時間。只要比較值大于tick值，定時器輸出就會走高，反之就會走低。此外，tick值達到最大（16位定時器為65535）時，會自動回滾為零。當輸出布線到端口引腳，從而能用硬件塊直接驅動LED。
表1總結了基于固件和基于硬件的PWM實現方案之間的差別。
表1：基于固件和基于硬件的PWM實現方案
我們在本部分分析了實現PWM的不同方法。在第三部分中，我們將探討設計具有電容式感應和LED照明的系統時所遇到的常見挑戰，以及應對方法。
我們在第二部分中介紹了PWM（脈沖寬度調制）的不用實現方法。在第三部分中，我們將探討設計具有電容式感應和LED照明的系統時所遇到的常見挑戰，以及應對方法。
布局設計
本節我們將討論在設計具有電容式傳感器和開關線路（例如LED、通信）的系統時所需遵循的重要布局設計規則。開關跡線與電容式傳感器跡線并行布置會使感應系統的開關噪聲結合在一起。由于我們試圖以毫微微法拉級（fF）的分辨率測量電容，因此感應模塊對串擾噪聲就會很敏感。只要傳感器跡線具有固定參考（例如并行的地線），感應系統就會具有恒定電容，但是，開關跡線會在接地與高阻抗或VDD間快速切換，從而改變參考值，進而導致電容變化。因此，在布線時應遵循的方法是決不能讓開關跡線與感應跡線并行放置。圖1給出了推薦的布局布線圖。
圖1：推薦的布線圖
我們應該可以并行布置多條傳感器跡線以防止進一步增加布線復雜性。讓我們看一看并行布置兩條傳感器線路時會出現的問題。假設當掃描一條線路時，另一條線路為浮動狀態。那么觸摸浮動線路將導致與另一條線路間的電容變化。解決這個問題的辦法是將所有未被掃描的傳感器引腳接地。之所以能這樣做是因為控制器通常具有可多路復用傳感器引腳的電容式傳感模塊。但是，如果器件支持對多條線路同時掃描，那么需要同時掃描的引腳不應并行布線。例如，賽普拉斯的PsoC器件 支持雙通道同時掃描。
設計原理圖時將開關引腳與感應引腳的隔離（見圖2）有助于在布局過程中避免并行布線。我們注意到在固件實現方案中可為PWM驅動選擇任意引腳，這種優勢能實現更方便的引腳分配。
圖2：傳感器與開關線路的隔離引腳分配
考慮到電子系統正變得越來越復雜，可能不一定總能完全避免并行布線。這種情況下可以采用一個電容器來降低LED線路的轉換率，進而減少串擾，如圖3所示。電容器的取值通常是0.1μF。
圖3：串擾解決方案
驅動電流強度
務必要選擇可滿足應用中電流驅動要求的控制器，以減少BOM成本。端口引腳通常具有較高的吸入電流能力和較低的輸出電流能力。應把需要高電流的LED連接在吸入結構中。這些引腳的驅動模式應該能夠在開漏模式下進行配置。這樣，寫入0可將引腳驅動到高阻抗狀態，從而關閉LED；寫入1可將引腳驅動至低阻抗狀態，從而打開LED。當與電容式感應相結合時，電流的吸入可能產生一個不良效果，會限制器件所能吸入的最大電流。我們將在第4部分具體介紹這個問題。
如果LED連接在多路復用結構中，那么輸出能力就比較重要。需要更高驅動電流的應用必須使用外部MOSFET開關來驅動LED。
負載瞬變噪聲
可以執行電容式感應并驅動LED的SoC屬于混合信號IC，具有模擬和數字模塊。模擬和數字電路必須盡可能地進行分離，以防止數字噪聲降低電容式感應系統的性能。常見的挑戰在于，當在吸入模式下連接LED的輸出引腳并在邏輯高電平與邏輯低電平之間切換時，感應系統會拾取接地噪聲。
為減少引腳數量，有些混合信號IC將芯片的模擬接地導體片和數字接地導體片共同連接到封裝的共用接地引腳上。該接合線電阻通常是幾十毫歐姆。圖4給出了這種引腳分配方式。
圖4：地端結合原理圖
現在考慮LED被配置為吸入模式的情況。輸出引腳將LED電流吸入到IC地端，同時驅動至低阻抗并打開LED。吸入的電流因接線的電阻產生IR壓降，并改變相對于電路板地端的IC接地電勢。盡管偏移量僅為幾毫伏，但感應系統非常敏感，它需要在fF精度范圍內測量電容。這對接地偏移比較敏感的感應方法來說是個問題。
當多個輸出引腳同時吸入電流時，這個問題會變嚴重。這會導致相當于一個手指觸摸的傳感器原始計數有高偏移量，從而引起誤觸發。圖5給出了由LED切換引起的原始計數偏移。
圖5：LED電流吸入引起的原始計數偏移
克服這個問題的一些常見技術包括：
1. 如果IC的模擬和數字接地接出到不同的引腳，應使它們分開，并在電源端將它們短路。
2. 依照正確的布局原則減小電路板接地與IC接地之間的電阻，以減小寄生的IR壓降。
3. 減小連接LED的輸出引腳上的吸入電流，以減小寄生的IR壓降。
4. 在原理圖設計過程中一定要進行引腳分配，以便將LED分配給遠離IC接地引腳的引腳，并將傳感器分配給距接地引腳最近的引腳。這樣就能把寄生的IR壓降降到最小。
在這個部分中，我們探討了如何應對具有電容式感應和LED照明的系統的常見設計挑戰。在第4部分，我們將介紹針對此類應用的低功耗設計考慮因素。
在第三部分中，我們探討了如何應對具有電容式感應和LED照明的系統的常見設計挑戰。現在我們來介紹針對此類應用的低功耗設計考慮因素。
低功耗設計考慮因素
為了優化功耗，電容式傳感器通常以掃描-休眠-掃描-休眠的重復程序進行掃描。應按照特定時間間隔掃描傳感器，且器件會在連續掃描之間進入休眠狀態。一個掃描-休眠周期被稱為刷新間隔。 下面給出了掃描-休眠-掃描-休眠周期的時序圖。
圖1：掃描-休眠-掃描周期
現在我們來著重研究刷新間隔內的器件功率模式。當傳感器被掃描時，稱器件處于活動模式。傳感器掃描完成后，器件繼續處于活動模式，這期間CPU處理傳感器數據，驅動LED、蜂鳴器等輸出，并將傳感器數據傳輸到主機。這步完成后，器件才進入休眠模式。
在活動模式下，以下模塊啟動。
1.以MHz速度運行的主時鐘
2.電容式感應引擎
3.CPU
4.通信模塊，例如I2C或SPI
5.用于實現PWM以進行LED亮度控制的定時器。我們稱之為“快速定時器”，因為它能提供微秒時基。
6.用于維持刷新間隔的定時器。我們稱之為“慢速定時器”，因為它提供毫秒時基。
在休眠模式下，以下模塊啟動。
1.用于維持刷新間隔的慢速定時器。該定時器還能將器件從休眠模式中喚醒。
2.通信模塊，例如I2C（啟用喚醒地址匹配）或SPI
為實現最佳的功耗，應使用如下方法：
1.當掃描傳感器時，CPU進入休眠狀態
2.在掃描某個傳感器的同時，處理之前掃描過的傳感器的數據。這樣就避免了器件在所有傳感器掃描完成后處理傳感器數據的過程中處于活動狀態。
這些方法確實有助于優化功耗，但如果設計中包含LED亮度控制等高級功能，那么功耗優化就會退居次席。這是因為LED亮度控制需要在器件的整個執行周期內發生，因此要求快速定時器一直處于啟動狀態，也就是使MHz時鐘處于開啟狀態。這會導致更高的功耗。然而在功耗優化與LED亮度控制之間仍存在折衷方案。我們看看應該如何做。
1.CPU休眠
有些高級器件，包括賽普拉斯的PSoC4等ARM cortex-M器件，能在CPU進入休眠狀態的同時讓定時器等外設在后臺運行。我們以前了解了有兩種方法可以實現PWM：
a.在基于固件的實現方案中，我們使用定時器中斷來驅動PWM。最好的方式是：只要中斷未被觸發就讓CPU處于休眠狀態。一旦觸發中斷，CPU立即喚醒以服務該中斷。ISR必須保持越短越好，以獲得更佳的功耗。
b.當使用硬件PWM時存在兩種情況。第一種情況是使用具有比較功能的定時器，該定時器不能直接驅動引腳。這種情況的功耗比較低，原因在于確定PWM的占空比時ISR只驅動引腳而不驅動邏輯，因此CPU喚醒的時間較短。第二種情況是使用能直接驅動輸出引腳的定時器。這種情況下不需要喚醒CPU來服務任何ISR，因此能進一步改善功耗。
以下的圖2給出了不同情景的CPU狀態。為了簡化，圖中未顯示CPU喚醒以處理傳感器數據的部分。
圖2：基于固件和硬件的PWM實現方案中的CPU狀態
2.在休眠模式下驅動LED
采用以上討論的功耗降低方法實現的優化效果并不明顯，因為只有CPU處于休眠狀態。主時鐘和定時器仍然開啟，并消耗功率。
一種解決方法是采用由低功率休眠模式下的時鐘驅動的定時器。這種情況下可將主時鐘關閉，并使器件進入休眠模式。如果有一個以上的定時器能在休眠模式下運行，那么其中一個可用來實現PWM，其它的用來維持刷新間隔。否則，這兩個工作都將通過慢速定時器來實現。
如果采用慢速定時器實現PWM以及維持刷新間隔，那么我們需要注意在功耗優化與PWM的占空比粒度之間進行權衡。如果要求的粒度低，應設定好定制器的周期，使其不能過于頻繁地產生中斷和喚醒器件。
例如，慢速定時器以32KHz的時鐘運行，刷新間隔為120ms。如果要求占空比以10的步長變化，例如10%、20%、30%等，而且所需PWM頻率是100Hz，那么定時器可加載周期值32，這樣每隔1ms生成中斷。如果要求的占空比粒度增加，那么中斷必須出現得比1ms更加頻繁。此時的功耗將比之前更高。
在很多SoC中，休眠模式下工作的時鐘其精度比主時鐘的精度要低很多。典型的休眠模式時鐘容差很大，可達到±60%。而且，為了節省BOM成本通常不使用外部晶體。這種情況下，可定期根據主時鐘校正休眠時鐘，這樣生成的PWM將與由主時鐘計時的定時器所生成的PWM一樣精確。
我們來了解一種借助主時鐘校正休眠模式時鐘的方法。定時器用休眠模式時鐘計時，并根據主時鐘周期的數量使用固件延遲程序生成固定延遲。固件邏輯在延遲的末尾讀取定時器計數。這就是定時器校正值。可將校正值或其倍數加載到定時器以創建延遲。
校正值 = 休眠模式時鐘 x 固件延遲
圖3：休眠模式時鐘校正法的方框圖演示
我們可以使用這種方法計算休眠模式時鐘的精確度。存在兩個誤差來源：
1. 主時鐘的精確度(e)
這會直接反映在固件延遲中，進而反應在校正值中。
2. 校正值的舍入誤差 (r)
假設最大有1位變化，誤差計算方法如下
最大舍入誤差 = 1/(固件延遲 ×休眠模式時鐘)
當休眠模式時鐘最低時，該誤差最大。使用較大的固件延遲能減少該誤差。
現在，校正值的最大誤差 = e + r。
現在考慮這種情況：休眠模式時鐘是32 KHz ± 50%，主時鐘的精確度為±2 %，固件延遲為1ms。 這種情況下，最慢的休眠時鐘是16 KHz，e = 0.02，r = 0.0625。因此，校正值的最大誤差 = 0.0825 或 8.25 %。注意，使用10ms的固件延遲可將誤差降至2.63%
3.用喚醒式接近傳感器優化功耗
在觸摸按鍵應用中實現LED亮度功能同時保持低功耗的一種創新方法是使用喚醒式接近傳感器。
無線鼠標、移動電話、平板電腦、遙控背光以及筆記本鍵盤背光等應用均采用了這種技術，能在用戶接近設備時喚醒系統。這些應用利用接近傳感器確定何時從低功耗模式切換至全功能的活動模式。
圖4：使用喚醒式接近傳感器的應用
當電容式觸摸感應器件運轉在低功耗模式時，只掃描接近傳感器，同時關閉背光以表明器件處于非活動狀態。只掃描接近傳感器，這樣能降低平均功耗。當用戶手部接近UI面板時，接近傳感器可檢測手的出現，并喚醒設備。從低功耗模式喚醒后，電容式感應器件進入活動模式，并掃描所有按鍵傳感器以檢測觸摸情況。此外，背光開啟可幫助用戶觸摸正確的按鍵。
賽普拉斯的CapSense MBR3等器件已經在可配置的單芯片SoC中實現了喚醒式接近功能以及電容式感應和亮度控制功能。
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