运用传感器共连优化电容式感应系统中的电源功耗

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在消费、家用电器、汽车、工业等众多电子产品中，电容式触摸按键正在快速替代传统的机械按键。虽然电容式按键拥有优于机械按键的诸多优势，但是系统设计工程师在创建电容式感应系统时需要权衡某些参数。其中包括信噪比(SNR)、响应时间和功耗。

由于电容式传感器容易受到控制器内部及外部噪声的影响，因此SNR对于确保电容式感应系统的可靠性能至关重要。本文重点将探讨另外两个参数。

响应时间能够代表电容式传感器响应触摸的速度。通常需要在功耗与响应时间之间做出权衡。我们在本文中会探讨设计人员优化功耗过程中需要考虑的响应时间问题。

系统需要根据寄生电容、触摸灵敏度等传感器特征在特定时间(称为扫描时间)内对电容式传感器进行扫描。扫描时间是电容式感应控制器的功耗主因。功耗优化对于电池驱动的设备(手机以及包括心率监视器在内的可穿戴设备等)尤为重要。功耗优化可以采用多种方法，其中包括优化扫描时间以及传感器扫描频率。我们在本文中会介绍并且说明比较突出的电容式感应系统功耗优化方法之一，其称为传感器共连(ganging)。

功耗优化
决定功耗的关键因素是传感器的扫描时间和传感器的扫描频率。休眠电流值一般远远低于工作电流值。因此，在不使用电容式感应系统时，可以让电容式感应控制器进入休眠模式，以便降低平均电流消耗。优化电容式感应系统电源时经常采用扫描-休眠-扫描-休眠的方法(参见图1)。此方法会扫描全部传感器，然后使控制器进入低功率休眠模式。此为一个周期，随后不断重复此周期。一个扫描-休眠周期称为一个"刷新间隔"。每个刷新间隔都包含工作时间与休眠时间。"工作时间"包括扫描时间、传感器数据处理和后期传感器扫描活动，如：LED及蜂鸣器等控制反馈机制。传感器扫描时间占用了大部分的工作时间。

图1 使用扫描-休眠-扫描-休眠的方法时的电流曲线

可以通过以下方法降低功耗：
a)缩短工作时间，即缩短扫描时间或后期传感器扫描的处理时间
b)降低给定工作时间的工作电流
c)延长休眠时间

传感器共连
传感器共连是一种通过减少电容式感应控制器工作时间而降低控制器功耗的方法。随着电容式传感器的数量增加，给定刷新间隔的功耗会随之增加；如果刷新间隔降低，则功耗提高。对于一定数量的传感器，降低功率就需要增加刷新间隔。但是，这会影响传感器的响应时间。为了实现响应时间和功耗的良好平衡，我们可以把所有传感器结合在一起当做单个传感器进行扫描。这就称为传感器共连。传感器组可被视为单个传感器，而电容式感应算法会把共连的独立传感器当做单个传感器进行扫描。在检测并确认有触摸操作时，则断开传感器并进行单独扫描。

在Cypress PSoC等器件中可以实现传感器共连，因为其中的单独传感器能够连接到全局模拟多路复用总线。在PSoC 4等混合信号器件中，可以采用一条内部模拟多路复用总线把多个传感器连接到固件内部的CapSense模块。本文末尾提供了包含模拟多路复用总线的参考设计指南，并且介绍如何把电容式传感器连接到模拟多路复用总线。

图2 单独扫描传感器传感器相连之后再扫描

传感器共连用例
1)按键/滑块共连
在仅包含按键或滑块的应用中，在用户触摸任何按键或滑块之前，我们可以把所有按键或滑块共连，然后作为单个传感器进行扫描。为了获得良好的系统响应时间，通过把灵敏度设置为超高值能够把共连的传感器作为接近传感器进行调校。传感器的灵敏度表示传感器能够检测到的、由触摸产生的电容变化。由于采用接近感应，只要用户靠近设备，系统在用户触摸实际功能按键之前就能够做出响应，从而缩短系统的响应时间。

例如，在没有活动时可以关闭增强按键可见度的背光LED。当用户靠近设备时，接近传感器能够探测到接近的手部并打开背光LED，从而帮助用户操作相应按键。不过，由于接近传感器极其灵敏，因此其需要更长的扫描时间，从而会增加功耗。为了进一步降低功率，可以把共连的传感器调校到更低的灵敏度，以便其可作为按键进行操作。这意味着共连的传感器仅探测用户触摸动作，而在用户触摸后所有传感器全部单独扫描。这种方法的系统响应时间比共连传感器作为接近传感器进行调校的方法要长。

图3 有按键及滑块的PCB

2)接近共连
当应用中包含多个接近传感器时-如：手势识别，所有接近传感器可以共连在一起并作为单个接近传感器进行扫描，以便在Z轴方向(从电路板来看)探测人手的接近。在探测到手部之后，单独扫描所有接近传感器，以探测X和Y轴方向的手势。这种方法的另外一个优势是系统可以快速响应人手接近，因为在接近传感器共连后可以提高接近探测距离，因此与单独扫描接近传感器相比，其能够在更远距离内探测人手。

图4：有多个接近传感器的PCB

3)矩阵或触摸板设计中的行/列共连
在包含矩阵按键或触摸板的应用中，在用户触摸矩阵按键或触摸板之前，所有行或列可以共连在一起作为单个传感器进行扫描。并不需要同时共连行与列，原因是：
a)这样会提高共连传感器的寄生电容。寄生电容必须不超过电容式感应控制器所支持的上限。
b)触摸板或矩阵的布局是仅共连行或列可以探测整个传感器区域的触摸。

4)混合传感器共连
我们来看一个其中四个按键周围有一个接近环路的应用实例。在本例中接近传感器和按键可以共连在一起作为单个传感器进行扫描。这样的话接近探测范围可以超过单独扫描接近传感器的情况。当电路板尺寸有限制、因而无法提高接近传感器大小时，可以采用此方法。

图5：有按键及接近传感器的PCB

本文简要介绍了针对于电容式感应控制器，如何利用传感器共连方式优化电容式感应系统功耗的方法，同时还介绍了传感器共连的用例。