中心議題：

• 低功耗觸摸按鍵的應用設計方法
• 降低功耗和喚醒方式的討論

解決方案：

• 基於CY8C22x45的低功耗設計
• 按鍵喚醒係統

觸摸式按鍵隨著iPod等消費類電子的流行而迅速發展，這一方麵因為相關技術的不斷進步

，可以提供更加穩定的性能
；另一方麵也因為同類電子產品的基本功能趨同，生產商更加關注如何為用戶提供舒適、便捷
、具有創意的人機交互界麵。在這一點上，與傳統機械式按鍵相比，觸摸式按鍵有著其無法比擬的巨大優勢。

xianyoushichangshangdechumoshianjianfangan，qigongzuoyuanlidoushijianceshouzhichumoyinqidedianluweixiaobianhualiang，jinerjiangqizhuanhuaweiluojishangdeanjiankaiguancaozuo。zaizhuduojiancefangfazhong，youyidianrongshijiancejuduo，zhezhongjiancefangfazaisaomiaoshixuduidianrongdechongfangdian，yincibukebimianhuizengjiachanpingonghao。duiyuyixiegonghaomingandeyingyonglaishuo，ruheshixiandigonghaodechumoanjianshiguanjianjishuhuanjie。

Cypress作為電容式觸摸按鍵芯片領域的領導者
，一直致力提供高效、可靠、貼近用戶需求的芯片與解決方案。本文即基於Cypress的CY8C22x45係列芯片
，介紹了一種低功耗觸摸按鍵應用設計方法。

1.低功耗設計方法

如圖1所示，對於電容式觸摸按鍵，手指的觸摸會改變感應電容Cx，當檢測電路對Cx充放電時，Cx值的變化會引起電路信號變化，通過一定的檢測電路可以測量出該變化，從而判斷手指是否存在。不過
，係統整體功耗因為頻繁的掃描Cx的大小而增加。

對於輸入電壓一定的係統來說
，其功耗主要取決於平均工作電流，即

Powerave=Vdd*Iave………………………………公式1

其中，Vdd是係統工作電壓
，Iave是係統平均工作電流。從公式1中可以看出，係統的功耗由係統的平均工作電流決定。降低平均工作電流的方法通常有兩種：第一種是在不改變係統有效工作時間的前提下降低係統的工作電流；第di二er種zhong減jian少shao係xi統tong的de有you效xiao工gong作zuo時shi間jian，增zeng加jia係xi統tong的de休xiu眠mian時shi間jian。往wang往wang隻zhi采cai用yong第di一yi種zhong辦ban法fa不bu能neng將jiang平ping均jun工gong作zuo電dian流liu降jiang低di到dao一yi個ge理li想xiang的de水shui平ping，所suo以yi需xu要yao結jie合he第di二er種zhong的de方fang法fa。在zai觸chu摸mo按an鍵jian係xi統tong的de實shi際ji工gong作zuo中zhong將jiang
，相xiang當dang一yi部bu分fen時shi間jian係xi統tong處chu於yu無wu任ren何he按an鍵jian按an下xia的de空kong閑xian狀zhuang態tai。在zai這zhe段duan時shi間jian內nei可ke以yi用yong軟ruan件jian將jiang係xi統tong配pei置zhi為wei休xiu眠mian模mo式shi。觸chu摸mo按an鍵jian芯xin片pian一yi般ban都dou提ti供gong休xiu眠mian模mo式shi，該gai模mo式shi具ju有you很hen低di工gong作zuo電dian流liu。因yin此ci
，如ru果guo能neng夠gou合he理li安an排pai係xi統tong工gong作zuo時shi間jian，令ling其qi空kong閑xian時shi進jin入ru休xiu眠mian模mo式shi，就jiu可ke降jiang低di平ping均jun工gong作zuo電dian流liu


，從cong而er減jian少shao係xi統tong功gong耗hao。

圖2shiyigejuyouxiumiangongnengdedianxingxitongruanjianliuchengtu。xitongchushihuahoujinruxiumianmoshi，jingguoyiduanshijiandeyanshihouhuanxingsaomiaoanjianmokuai
，jinxinganjiansaomiao。ruguoyouanjiananxia

，ruanjianpanduanshifouyouxiao。ruguowuxiaoanjiananxia，namexitongjixujinruxiumianmoshi。ruguoruanjianpanduananjianyouxiao，namehuanxingxitong
，chufarenwuchulijincheng。dangchuliwansuoyourenwuhou，xitongyouzhongxinjinruxiumianzhuangtai。zheshigedianxingdejuyouxiumiangongnengdexitonggongzuoliuchengtu，tadeyoudianjiushiciruanjianliuchengjiandanyidong
、容易實現，一般可以滿足大多數場合的應用。但是，如果係統任務處理消耗了較多的CPUchulishijian
，nameweiledadaomubiaopingjungongzuodianliu，jiuxuyaoxiangyingzengjiaxiumianshijian。tongshijiangdileanjiansaomiaodepinlv，congerjiachanglexitonghuanxingdexiangyingshijian。yinci，cifangfashihebijiaojiandande、係統任務不複雜的應用。
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圖3shiyigejuyouxiumiangongnengdefuzaxitongruanjianliuchengtu。cifangfashijiangyishangfangfazhongderenwuchulijinxingfenjie，fenweichufaxinrenwu
，chulirenwu。mudejiushijianxiaozaimeigexunhuanzhouqineibuzhixingrenwudesuohuafeideCPU資源。與上一個方法的不同在於：係xi統tong喚huan醒xing掃sao描miao按an鍵jian程cheng序xu，當dang判pan斷duan按an鍵jian有you效xiao時shi，觸chu發fa新xin任ren務wu，並bing不bu是shi將jiang所suo有you的de任ren務wu處chu理li完wan畢bi。在zai當dang前qian的de循xun環huan周zhou期qi內nei
，觸chu發fa的de新xin任ren務wu可ke能neng沒mei有you處chu理li完wan畢bi
，需xu要yao下xia一yi個ge或huo者zhe更geng多duo個ge係xi統tong循xun環huan的de時shi間jian才cai可ke以yi完wan成cheng。當dang判pan斷duan按an鍵jian無wu效xiao時shi，不bu是shi馬ma上shang進jin入ru休xiu眠mian模mo式shi
，而er是shi判pan斷duan是shi否fou有you沒mei有you處chu理li完wan畢bi的de任ren務wu。如ru果guo有you則ze繼ji續xu處chu理li；如果沒有則進入休眠模式。此方法可以處理比較複雜的任務
，能滿足更多應用領域的需求。

如果沒有有效按鍵觸發
，那麼係統工作在最大的省電模式。不論哪種方法
，係統平均工作電流可由公式2計算得出。

Iave=(Tscan*Iscan+Tsleep*Isleep)/(Tscan+Tsleep) ……………………………公式2

其中
，Tscan是一次掃描按鍵所需時間，Iscan是按鍵掃描時的工作電流，Tsleep是休眠時間，Isleep是休眠時的工作電流。Isleep會遠遠小於Iscan。一般來說

，為了保證一定的按鍵靈敏度
，Iscan可調整的空間有限，因此較快的掃描速度
，較小的休眠電流，較長的睡眠時間是降低係統功耗的關鍵。

zaishijishejizhong
，kaolvdeyinsugengweifuza，chuleshangshuzhiwai
，haixukaolvanjiandexiangyingshijianheanjiandelingmindudeng。zuidaxiumianshijianjuedinglexitongdexiangyingshijian，duiyuxiangtongdeIave，Iscan和Isleep，較長的Tscan會引起Tsleep的增加
，從而無法滿足係統的響應時間；如ru果guo減jian少shao掃sao描miao時shi間jian
，可ke能neng會hui無wu法fa有you效xiao減jian少shao係xi統tong噪zao聲sheng影ying響xiang，降jiang低di信xin噪zao比bi
，影ying響xiang按an鍵jian的de靈ling敏min度du。因yin此ci，低di功gong耗hao觸chu摸mo係xi統tong設she計ji需xu要yao靈ling敏min，可ke靠kao
，快kuai速su的de觸chu摸mo按an鍵jian掃sao描miao技ji術shu。

2.基於CY8C22x45的低功耗設計實例

Cypress的CY8C22x45係列PSoC®芯片可以有效的實現上述目標。該係列芯片內部包含一個獨立硬件實現的CapSense觸摸按鍵掃描模塊CSD2X[3]
，最多可以掃描37個觸摸按鍵。該模塊具有兩個硬件掃描通道
，可以同時完成位於兩個通道上一對按鍵的掃描，提高了按鍵掃描速度。該模塊包含內置的Cx充電電路
，結合Cypress的按鍵基線算法[4]，可以在快速掃描按鍵的同時
，有效降低噪聲影響。

此外，該係列PSoC®芯片包含8個數字模塊和6個模擬模塊，提供最多38個通用I/O,16KbyteFlash
，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上資源，包括10位SARADC，電壓參考源(VDAC)，I2C通信模塊，硬件實時時鍾(RTC)[5]。硬件實現的觸摸按鍵掃描模塊和豐富的數字、模擬模塊資源
，使得可以用一塊CY8C22x45芯片實現觸摸按鍵功能和係統主控操作。

CY8C22x45係列芯片休眠時的工作電流僅有3uA[5]

，芯xin片pian內nei包bao含han一yi個ge休xiu眠mian計ji數shu器qi
，係xi統tong進jin入ru休xiu眠mian後hou計ji數shu器qi開kai始shi遞di減jian，當dang計ji數shu值zhi為wei零ling時shi產chan生sheng中zhong斷duan喚huan醒xing係xi統tong。喚huan醒xing係xi統tong後hou可ke以yi不bu做zuo任ren何he處chu理li再zai次ci進jin入ru休xiu眠mian模mo式shi。這zhe樣yang周zhou而er複fu始shi，達da到dao所suo需xu要yao的de整zheng個ge休xiu眠mian時shi間jian。在zai實shi際ji設she計ji中zhong
，常chang常chang使shi用yong平ping均jun休xiu眠mian電dian流liu替ti代dai公gong式shi2中的Isleep，即在每次休眠結束後，僅讓係統正常工作最短時間，該時間內完成所有必須操作（僅是一次循環判斷），此時的電流即為該休眠時間下的平均休眠電流。表1列出了常用休眠時間的平均休眠電流。

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圖4是(shi)一(yi)個(ge)觸(chu)摸(mo)按(an)鍵(jian)應(ying)用(yong)中(zhong)一(yi)次(ci)典(dian)型(xing)的(de)按(an)鍵(jian)波(bo)形(xing)，每(mei)個(ge)按(an)鍵(jian)按(an)下(xia)後(hou)，係(xi)統(tong)都(dou)需(xu)輸(shu)出(chu)對(dui)應(ying)的(de)電(dian)壓(ya)值(zhi)以(yi)供(gong)其(qi)他(ta)係(xi)統(tong)檢(jian)測(ce)。該(gai)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)小(xiao)於(yu)等(deng)於(yu)40ms，當按鍵被長按時
，需要一直輸出按鍵電壓，即使按鍵釋放後
，仍需250ms時間保持原有按鍵電壓，之後停止輸出按鍵電壓，進入空閑狀態。係統共包含12個觸摸按鍵
，當多個按鍵被同時按下時，係統不響應。係統低功耗設計要求為，係統待機時沒有按鍵操作的平均電流應至少小於1mA。

使用示波器可以測出係統掃描12個按鍵所需時間大約為1.388ms。同時
，可以測量到正常工作狀態下係統的工作電流大約為6mA。根據公式2以及表1，若一次休眠1.92ms，需要連續休眠5次（9.6ms），才可以得到低於1mA的平均待機電流，約為0.875mA
；若一次休眠15.6ms

，休眠一次即可滿足要求
，平均待機電流約為0.52mA。實際工程中采用了第二種休眠方式，實際測量到的平均待機電流值為0.565mA，與計算值相近。

3.降低功耗和喚醒方式的進一步討論

以上實例中係統的平均待機電流是0.565mA
，雖然這個功耗滿足了係統的設計要求
，但是在很多使用電池供電的場合是不行的。這是因為在待機時，係統掃描全部12個按鍵，用去了1.388ms的時間。如果能減小掃描按鍵的時間，那麼還能夠降低係統的待機功耗。

固定按鍵喚醒係統

采cai用yong固gu定ding按an鍵jian的de方fang式shi喚huan醒xing係xi統tong能neng有you效xiao的de降jiang低di係xi統tong掃sao描miao按an鍵jian的de時shi間jian。係xi統tong無wu需xu掃sao描miao所suo有you的de按an鍵jian，隻zhi需xu掃sao描miao固gu定ding的de一yi個ge按an鍵jian
，這zhe可ke以yi大da大da降jiang低di在zai待dai機ji狀zhuang態tai下xia掃sao描miao按an鍵jian的de時shi間jian。以yi上shang述shu的de應ying用yong為wei例li
，CY8C22x45係列PSoC支持雙通道並行掃描，12個按鍵均勻分布在兩個通道上，因此掃描一個按鍵約為0.231ms。如果休眠15.6ms
，可以計算出此時平均待機電流隻有0.113mA，相比之前的0.52mA的計算值，僅是其21%。如果休眠時間增加至40ms，從表1可以推算出此時平均休眠電流約為9uA
，此時計算出平均待機電流僅為0.043mA。

任意按鍵喚醒係統

如果係統要求任意按鍵喚醒係統，那麼以上介紹的固定按鍵喚醒係統方法不能滿足。Cypress特有的內部模擬總線的方式，可以將全部的按鍵組合成一個“大按鍵”。這樣係統待機時，隻需要對這個“大按鍵”掃描一次，就能判斷是否有手指觸摸到任何按鍵上。不論任何一個按鍵被手指觸摸，都可以喚醒係統。係統喚醒後，將“大按鍵”分fen解jie
，進jin行xing正zheng常chang的de按an鍵jian掃sao描miao處chu理li，區qu分fen哪na個ge按an鍵jian按an下xia，進jin行xing任ren務wu處chu理li。使shi用yong這zhe種zhong方fang法fa，係xi統tong的de待dai機ji平ping均jun電dian流liu與yu使shi用yong固gu定ding按an鍵jian喚huan醒xing係xi統tong的de方fang法fa相xiang同tong。

手指接近喚醒係統

手指接近喚醒係統是Cypress的一項成熟的技術。此方法是建立在任意按鍵喚醒係統方法基礎之上的。在係統待機時

，也是使用一個“大按鍵”進行掃描。與上個方法不同的地方在於：不是當手指觸摸到鍵盤時喚醒係統
，而是當手指靠近鍵盤時就喚醒係統。係統喚醒後立即將“大按鍵”分(fen)解(jie)為(wei)正(zheng)常(chang)按(an)鍵(jian)

，進(jin)行(xing)按(an)鍵(jian)掃(sao)描(miao)。相(xiang)對(dui)於(yu)任(ren)意(yi)按(an)鍵(jian)喚(huan)醒(xing)係(xi)統(tong)方(fang)法(fa)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)能(neng)加(jia)快(kuai)係(xi)統(tong)對(dui)按(an)鍵(jian)的(de)相(xiang)應(ying)速(su)度(du)，還(hai)可(ke)以(yi)使(shi)產(chan)品(pin)增(zeng)加(jia)豐(feng)富(fu)的(de)功(gong)能(neng)特(te)性(xing)。

4.結語

應用Cypress的CY8C22x45係列芯片以及獨有的CapSense技ji術shu，設she計ji者zhe可ke以yi用yong更geng快kuai的de時shi間jian掃sao描miao大da量liang按an鍵jian，用yong更geng長chang的de時shi間jian讓rang係xi統tong休xiu眠mian，結jie合he其qi較jiao低di的de休xiu眠mian電dian流liu
，在zai保bao證zheng係xi統tong可ke靠kao性xing能neng的de同tong時shi，可ke以yi實shi現xian較jiao低di的de待dai機ji功gong耗hao
，為wei觸chu摸mo按an鍵jian應ying用yong的de低di功gong耗hao設she計ji提ti供gong了le一yi種zhong良liang好hao的de解jie決jue方fang案an。