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2是shi一yi個ge具ju有you休xiu眠mian功gong能neng的de典dian型xing係xi統tong軟ruan件jian流liu程cheng圖tu。係xi統tong初chu始shi化hua後hou進jin入ru休xiu眠mian模mo式shi
，經jing過guo一yi段duan時shi間jian的de延yan時shi後hou喚huan醒xing掃sao描miao按an鍵jian模mo塊kuai，進jin行xing按an鍵jian掃sao描miao。如ru果guo有you按an鍵jian按an下xia，軟ruan件jian判pan斷duan是shi否fou有you效xiao。如ru果guo無wu效xiao按an鍵jian按an下xia，那na麼me係xi統tong繼ji續xu進jin入ru休xiu眠mian模mo式shi。如ru果guo軟ruan件jian判pan斷duan按an鍵jian有you效xiao，那na麼me喚huan醒xing係xi統tong，觸chu發fa任ren務wu處chu理li進jin程cheng。當dang處chu理li完wan所suo有you任ren務wu後hou，係xi統tong又you重zhong新xin進jin入ru休xiu眠mian狀zhuang態tai。這zhe是shi個ge典dian型xing的de具ju有you休xiu眠mian功gong能neng的de係xi統tong工gong作zuo流liu程cheng圖tu，它ta的de優you點dian就jiu是shi此ci軟ruan件jian流liu程cheng簡jian單dan易yi懂dong
、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CPU處chu理li時shi間jian
，那na麼me為wei了le達da到dao目mu標biao平ping均jun工gong作zuo電dian流liu，就jiu需xu要yao相xiang應ying增zeng加jia休xiu眠mian時shi間jian。同tong時shi降jiang低di了le按an鍵jian掃sao描miao的de頻pin率lv，從cong而er加jia長chang了le係xi統tong喚huan醒xing的de響xiang應ying時shi間jian。因yin此ci
，此ci方fang法fa適shi合he比bi較jiao簡jian單dan的de
、係統任務不複雜的應用。
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圖3是(shi)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)休(xiu)眠(mian)功(gong)能(neng)的(de)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)流(liu)程(cheng)圖(tu)。此(ci)方(fang)法(fa)是(shi)將(jiang)以(yi)上(shang)方(fang)法(fa)中(zhong)的(de)任(ren)務(wu)處(chu)理(li)進(jin)行(xing)分(fen)解(jie)

，分(fen)為(wei)觸(chu)發(fa)新(xin)任(ren)務(wu)
，處(chu)理(li)任(ren)務(wu)。目(mu)的(de)就(jiu)是(shi)減(jian)小(xiao)在(zai)每(mei)個(ge)循(xun)環(huan)周(zhou)期(qi)內(nei)部(bu)執(zhi)行(xing)任(ren)務(wu)的(de)所(suo)花(hua)費(fei)的(de)CPU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。

在zai實shi際ji設she計ji中zhong，考kao慮lv的de因yin素su更geng為wei複fu雜za，除chu了le上shang述shu之zhi外wai，還hai需xu考kao慮lv按an鍵jian的de響xiang應ying時shi間jian和he按an鍵jian的de靈ling敏min度du等deng。最zui大da休xiu眠mian時shi間jian決jue定ding了le係xi統tong的de響xiang應ying時shi間jian，對dui於yu相xiang同tong的deIave，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]，xinpianneibaohanyigexiumianjishuqi，xitongjinruxiumianhoujishuqikaishidijian
，dangjishuzhiweilingshichanshengzhongduanhuanxingxitong。huanxingxitonghoukeyibuzuorenhechulizaicijinruxiumianmoshi。zheyangzhouerfushi，dadaosuoxuyaodezhenggexiumianshijian。zaishijishejizhong，changchangshiyongpingjunxiumiandianliutidaigongshi2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yu40ms，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”fenjieweizhengchanganjian，jinxinganjiansaomiao。xiangduiyurenyianjianhuanxingxitongfangfa
，zhezhongfangfanengjiakuaixitongduianjiandexiangyingsudu，haikeyishichanpinzengjiafengfudegongnengtexing。

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)。