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家电产品触控感测应用
人机接口开发有一套

【作者: Meng He】2011年01月12日 星期三

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看看洗衣间与厨房的按钮与开关数量: 烘衣机有4个,洗衣机有5个,微波炉有12个,咖啡炉有5个...以用户为出发点的人机接口(HMI),最新的趋势不但是以图形接口推出电容感测按钮与滑杆,更透过液晶屏幕支持更直觉化的接口,并加入更多智能感测功能,让机器能对人体动作做出反应。


电容感测

什么是电容感测? 任何电容感测系统的心脏,是由许多与电场进行互动的导体所构成。人体的组织内部,在皮肤底下充满许多导电的电解质,表皮则形成会损耗的电介质。手指的导电属性,让这些电容触控产品得以运作。把手指放近电场的边缘处,就会增加电容感测系统的传导表面面积。手指导致额外增加的储存电容,称之为指触电容值CF。没有手指靠近时,传感器的电容值记为CP,代表寄生电容。用户接口的控制单元,藉由处理电容波动的数据,就能侦测出手指靠近的状态(如图一所示)。


《图一 透过电容波动侦测手指靠近状态。》
《图一 透过电容波动侦测手指靠近状态。》

图2 显示一个电容式三角积分(CSD)感测算法,运用一个交换电容、一个计数器以及一个脉冲调变模块,来判断在电容感测上是否有手指靠近。这种算法采用一个交换电容电路,把电容值转换成和参考电压进行比较过的电压值。当电容的电压达到参考电压值时,比较器就会启动一个泄漏电阻,对电容进行放电。当电容电压下降到参考电压值以下时,泄漏电阻就会维持浮接(floating),让电容持续充电。负责持续栓紧泄漏电阻的比较器输出,是一个位串流,它会随着传感器电容的改变而变化。位串流再和一个PWM进行AND逻辑处理后,提供一贯的串流框架。每个框架的数量,经过分析后即可判断电容传感器是否被切换。



《图二 整合直接驱动与智能感测技术》
《图二 整合直接驱动与智能感测技术》

然而家电产品通常面临严苛的成本限制,电容感测不仅得提高产品价值,还必须降低产品的成本。电容感测技术来减少零件数量与简化制造流程两者之间的共通点,可以达成此一目标。


例如,家电产品的前方面板经常会采用分段式液晶屏幕,并运用控制电容感测IC,再搭配一个独立LCD驱动器。电容感测的液晶屏幕,经常采用电容感测IC来直接驱动,例如藉由向LCD提供讯号来开启与关闭显示数字的像素,藉由省下外部电阻与电容,以降低系统成本与空间。若IC让用户能自行设定LCD的针脚位置,研发业者亦可设计出更短的电路、更少层的PCB电路板、以及较少的crossovers跨接电路。


整合单芯片是妙方

许多家电产品亦支持各种传感器,用以提高安全性、省电效率、便利性以及附加价值,让业者开发出像蒸气熨斗、咖啡炉、热水炉、烤面包机、电饭锅、保温瓶、制冰机、煎饼机以及携带型瓦斯炉等家电产品。例如,洗衣机内的温度传感器能用来精准控制水温,压力传感器则能用来量测水糟内的水位,浊度传感器可用来感测水的污浊。


传感器本质上是属于模拟组件,因此在家电产品的前方面板电路板上至少会有一个模拟讯号电路。这些讯号必须经过放大或调节、滤波、频移等处理,以应付作业环境内的噪声。要调节这些讯号需要动用各种组件,像是可编程增益放大器(PGA)、多任务总线、混波器、比较器(CMP)以及模拟数字转换器(ADC)。


整合模拟式调节电路,让研发业者不必以单独子系统的方式来处理这些功能,不必为每个子系统配置专属控制器。仅须为电容感测处理器配置一个中央微控制器、LCD接口、以及调节传感器专属的组件,整个感测与控制子系统只需一个控制器再加上可编程的模拟组件就能建置完成(如图三所示)。



《图三 控制器加上模拟组件就可完成整个感测与控制系统。》
《图三 控制器加上模拟组件就可完成整个感测与控制系统。》

把各项通用功能汇整至单一芯片,让研发业者能推出各种功能,包括像家电的电容感测,且能控管成本与复杂度。微控制器的可编程功能,确保系统具备足够的弹性来容纳多种接口,并让研发业者能专注于应用上,不必分心在建置工作上。此外,系统的开放性为未来的扩充预留空间,日后不必完全重新设计就能扩增新功能、新传感器以及新接口。


电磁炉应用实例

受到单芯片解决方案益处的家电终端设备之一为电磁炉。电磁炉是一种现代化的电子烹煮炉,运用电磁传导的原理来对食器加热。在这个例子中,可编程系统单芯片(PSoC)用来执行上述的所有功能。请参考下面的示意图。


电磁炉内的主要控制功能包括:


1. IGBT 自动自我保护:绝缘闸极双极性晶体管(IGBT)是电磁炉的重要组件,过压、增生电流或温度过高,都会造成IGBT受损,因此保护IGBT至关重要。


2. 温度控制:熨斗底盘的热直接传导至陶瓷板,温度、电压以及电流等讯号,经过混合后传送到PSoC内的8信道专属10位 SAR ADC来进行处理。在这种设计中,两个模拟多任务总线让研发业者能把讯号从任何I/O传送至芯片内的数字与模拟组件,像是ADC、DAC、PWM以及计数器等。


3. 稳定的功率控制:电磁炉的输出功率可透过系统自动调节,改进电源与负载的调节效率。


4. 用户接口控制:收集电容感测按钮或滑杆的输入讯息,再决定运转模式,并在发光二极管(LED)号志上显示讯息。


在组件中,有一个硬件式双信道CSD扫瞄逻辑组件,内含专属的频率资源,不会额外消耗芯片内的数字资源。其利益包括双信道CSD扫瞄功能,让CPU的扫瞄次数达到CapSense传感器的两倍,且在每次扫瞄时,CPU仅须对一次中断做反应。


…本文作者任职于赛普拉斯半导体...


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