關(guān)鍵詞： 電容式 , LED照明

作者: Vairamuthu Ramasamy和Shruti Hanumanthaiah，賽普拉斯半導(dǎo)體

在第三部分中，我們探討了如何應(yīng)對具有電容式感應(yīng)和LED照明的系統(tǒng)的常見設(shè)計挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在我們來介紹針對此類應(yīng)用的低功耗設(shè)計考慮因素。

低功耗設(shè)計考慮因素

為了優(yōu)化功耗，電容式傳感器通常以掃描-休眠-掃描-休眠的重復(fù)程序進行掃描。應(yīng)按照特定時間間隔掃描傳感器，且器件會在連續(xù)掃描之間進入休眠狀態(tài)。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。

2014-6-30 16:45:03 上傳

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圖1：掃描-休眠-掃描周期

現(xiàn)在我們來著重研究刷新間隔內(nèi)的器件功率模式。當(dāng)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(xù)處于活動模式，這期間CPU處理傳感器數(shù)據(jù)，驅(qū)動LED、蜂鳴器等輸出，并將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C。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(yīng)引擎

3.CPU

4.通信模塊，例如I2C或SPI

5.用于實現(xiàn)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(xiàn)最佳的功耗，應(yīng)使用如下方法：

1.當(dāng)掃描傳感器時，CPU進入休眠狀態(tài)

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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)的過程中處于活動狀態(tài)。

這些方法確實有助于優(yōu)化功耗，但如果設(shè)計中包含LED亮度控制等高級功能，那么功耗優(yōu)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(zhí)行周期內(nèi)發(fā)生，因此要求快速定時器一直處于啟動狀態(tài)，也就是使MHz時鐘處于開啟狀態(tài)。這會導(dǎo)致更高的功耗。然而在功耗優(yōu)化與LED亮度控制之間仍存在折衷方案。我們看看應(yīng)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(tài)的同時讓定時器等外設(shè)在后臺運行。我們以前了解了有兩種方法可以實現(xiàn)PWM：

a.在基于固件的實現(xiàn)方案中，我們使用定時器中斷來驅(qū)動PWM。最好的方式是：只要中斷未被觸發(fā)就讓CPU處于休眠狀態(tài)。一旦觸發(fā)中斷，CPU立即喚醒以服務(wù)該中斷。ISR必須保持越短越好，以獲得更佳的功耗。

b.當(dāng)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(qū)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(qū)動引腳而不驅(qū)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(qū)動輸出引腳的定時器。這種情況下不需要喚醒CPU來服務(wù)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(tài)。為了簡化，圖中未顯示CPU喚醒以處理傳感器數(shù)據(jù)的部分。

2014-6-30 16:45:04 上傳

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圖2：基于固件和硬件的PWM實現(xiàn)方案中的CPU狀態(tài)

2.在休眠模式下驅(qū)動LED

采用以上討論的功耗降低方法實現(xiàn)的優(yōu)化效果并不明顯，因為只有CPU處于休眠狀態(tài)。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(qū)動的定時器。這種情況下可將主時鐘關(guān)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(xiàn)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(xiàn)。

如果采用慢速定時器實現(xiàn)PWM以及維持刷新間隔，那么我們需要注意在功耗優(yōu)化與PWM的占空比粒度之間進行權(quán)衡。如果要求的粒度低，應(yīng)設(shè)定好定制器的周期，使其不能過于頻繁地產(chǎn)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(xiàn)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(jié)省BOM成本通常不使用外部晶體。這種情況下，可定期根據(jù)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(jù)主時鐘周期的數(shù)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(shù)。這就是定時器校正值?？蓪⑿Ｕ祷蚱浔稊?shù)加載到定時器以創(chuàng)建延遲。

校正值 = 休眠模式時鐘 x 固件延遲

2014-6-30 16:45:06 上傳

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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(yīng)在校正值中。

2. 校正值的舍入誤差 (r)

假設(shè)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(dāng)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(xiàn)在，校正值的最大誤差 = e + r。

現(xiàn)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(yōu)化功耗

在觸摸按鍵應(yīng)用中實現(xiàn)LED亮度功能同時保持低功耗的一種創(chuàng)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(yīng)用均采用了這種技術(shù)，能在用戶接近設(shè)備時喚醒系統(tǒng)。這些應(yīng)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。

2014-6-30 16:45:08 上傳

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圖4：使用喚醒式接近傳感器的應(yīng)用

當(dāng)電容式觸摸感應(yīng)器件運轉(zhuǎn)在低功耗模式時，只掃描接近傳感器，同時關(guān)閉背光以表明器件處于非活動狀態(tài)。只掃描接近傳感器，這樣能降低平均功耗。當(dāng)用戶手部接近UI面板時，接近傳感器可檢測手的出現(xiàn)，并喚醒設(shè)備。從低功耗模式喚醒后，電容式感應(yīng)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(jīng)在可配置的單芯片SoC中實現(xiàn)了喚醒式接近功能以及電容式感應(yīng)和亮度控制功能。