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這篇產(chǎn)品指南文章分析了基于MCU的HID（人機(jī)接口設(shè)備）的設(shè)計(jì)人員針對(duì)Windows 8電腦所面臨的挑戰(zhàn)，并說明了該公司的PRoC-UI如何可以用于減少元器件數(shù)量和成本。 第一部分 2012年10月，全世界見證了迄今最大規(guī)模的產(chǎn)品發(fā)布活動(dòng)之一，即微軟發(fā)布采用其最新用戶界面（UI）和Windows風(fēng)格應(yīng)用的Windows 8。盡管存在批評(píng)的聲音，但事實(shí)上這款最新操作系統(tǒng)針對(duì)客戶與PC的交互方式進(jìn)行了根本性的改變。 Windows 8的現(xiàn)代UI經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可支持平板電腦、PC和膝上型電腦。為了使其更適用于平板電腦操作，這種Windows GUI進(jìn)行了以下幾項(xiàng)修改： ● 取消了開始按鈕（Start Button）和開始菜單（Start Menu），取而代之的是功能完備的開始屏幕（Start Screen），如圖1所示的針對(duì)應(yīng)用、網(wǎng)站和文件夾等的拼貼圖選項(xiàng)區(qū)。 ● 包含了用于啟動(dòng)常用功能的觸摸手勢(shì)操作： ― 包含搜索、設(shè)置等功能的Charms Bar：使用單個(gè)手指從右側(cè)邊緣向中心滑動(dòng)即可調(diào)出。 ― 用于啟動(dòng)任何應(yīng)用的命令菜單：使用單個(gè)手指從頂部邊緣向中心滑動(dòng)即可調(diào)出。 ― 翻閱式瀏覽所有已打開的應(yīng)用：使用單個(gè)手指從左側(cè)邊緣向中心滑動(dòng)。 圖1：Windows 8開始屏幕。 由于包含了用于啟動(dòng)常用功能的觸摸手勢(shì)操作，因而必須針對(duì)Windows 8為硬件添加觸摸處理功能。 HID的觸摸支持蓄勢(shì)待發(fā) 雖然觸摸功能是平板電腦所固有的，但全世界的PC機(jī)和筆記本電腦也同樣需要部署Windows 8。這就意味著鼠標(biāo)和鍵盤等人機(jī)接口設(shè)備（HID）需要演進(jìn)發(fā)展并提供觸摸功能。隨著羅技（Logitech）和微軟等主要OEM廠商推出無線觸控鼠標(biāo)和觸控板（圖2、圖3），這種演變已經(jīng)展開。 圖2：微軟的Wedge觸摸式鼠標(biāo)。 圖3：羅技T650無線觸控板。 隨著Windows 8被更多客戶所采用，預(yù)計(jì)對(duì)于觸摸式HID的需求將隨之出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。為了跟上HID的最新潮流，大部分這些外設(shè)都將配備無線功能，從而推動(dòng)全世界的OEM廠商都在尋找可用于構(gòu)建無線觸控HID的高效、高質(zhì)量且極富成本優(yōu)勢(shì)的元件。 無線觸控HID的基本構(gòu)建模塊 任何無線觸控HID都需要三大元件：微控制器（MCU）、射頻與電容式觸摸控制器，如圖4所示。 假定MCU、電容式觸摸控制器和無線電元件之間的通信接口采用串行外設(shè)接口（SPI），而其他元件則通過通用輸入輸出（GPIO）引腳連接到其各自的控制器。HID能與插入到PC或筆記本電腦USB道爾芯片進(jìn)行通信。對(duì)于HID設(shè)計(jì)人員來說，詳盡了解這三個(gè)基本構(gòu)建模塊的功能至關(guān)重要。 圖4：觸摸式無線HID的的基本構(gòu)成模塊。 微控制器 機(jī)械按鈕 電容式觸摸控制器 觸摸式用戶接口元件 觸摸板 電容式感應(yīng)按鍵/電容性觸摸滑條 射頻 天線 電容式觸摸控制器 電容式觸摸控制器用于檢測(cè)觸摸板表面的電容變化，以確定手指的位置。觸摸板通常創(chuàng)建在印刷電路板（PCB）或撓性印制電路（FPC）上。分布在觸摸板上的傳感器使用銅等導(dǎo)電材料制作而成。觸摸板由行傳感器和列傳感器構(gòu)成，并組成圖5所示的網(wǎng)格形狀。 圖5：具有傳感器網(wǎng)格的觸摸板及電容式觸摸控制器。 觸摸板 電源電壓 電容式觸摸控制器 我們既可以將觸摸板和電容式觸摸控制器放置在同一塊電路板上，也可以放置在不同電路板上。對(duì)于觸摸板和電容式觸摸控制器位于不同電路板的這種情況，傳感器網(wǎng)格的金屬線跡（Metal Trace）通過端板送出并利用FPC線纜作為兩板之間的連接器。如果二者在同一電路板上，金屬線跡則可將傳感器網(wǎng)格連接至電容式觸摸控制器。 電容式觸摸控制器的典型工作方式 觸摸控制器定期掃描所有傳感器，并記錄每個(gè)傳感器的電容值。手指與觸摸板的接觸會(huì)改變接觸位置處的傳感器電容。觸摸控制器可感應(yīng)電容的相對(duì)變化并計(jì)算出實(shí)際的手指位置（即X和Y軸的位置）。將當(dāng)前的手指位置與此前記錄的位置進(jìn)行比較，以便對(duì)手勢(shì)進(jìn)行解碼。需要在芯片上進(jìn)行手勢(shì)計(jì)算，以避免在Windows操作系統(tǒng)上額外安裝驅(qū)動(dòng)器。一旦檢測(cè)到新的手勢(shì)，電容式觸摸控制器就會(huì)利用中斷將數(shù)據(jù)可用信息報(bào)告給MCU并等待MCU讀取數(shù)據(jù)（圖6）。 圖6：電容式觸摸控制器——固件流程。 掃描傳感器 計(jì)算手指的位置 解碼手勢(shì) 是否檢測(cè)到新的手勢(shì) 通知MCU 等待MCU讀取數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU 電容式觸摸——設(shè)計(jì)要領(lǐng) 設(shè)計(jì)電容無線觸控HID時(shí)需要記住的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要領(lǐng)包括： 刷新時(shí)間：刷新時(shí)間是指電容式觸摸控制器兩次連續(xù)報(bào)告的時(shí)間間隔。隨著所掃描電容傳感器的數(shù)量增加，掃描所有傳感器的總時(shí)間將會(huì)相應(yīng)增加，從而延長(zhǎng)刷新時(shí)間。 外覆層材料與厚度：手指觸發(fā)電容與外覆層材料的厚度成反比，與介電常數(shù)成正比。為了實(shí)現(xiàn)最佳手指響應(yīng)，外覆層材料的介電常數(shù)應(yīng)該較高而厚度則應(yīng)較薄。 傳感器間距：傳感器間距是指相鄰傳感器中心之間的距離。X和Y二維空間典型間距是5mm，如圖7所示。如果傳感器間距再大就會(huì)導(dǎo)致精確度和線性度降低。 圖7：觸摸板的傳感器間距。 電容感應(yīng)引腳：電容式觸摸板上的每個(gè)傳感器均需連接至一個(gè)電容感應(yīng)引腳。如果觸摸控制器沒有足夠的電容感應(yīng)引腳，則可增大傳感器間距以支持所需的觸摸板區(qū)域。但是這種方案會(huì)導(dǎo)致精確度和線性度的降低。因此，選擇具有足夠多電容感應(yīng)引腳的電容式觸摸控制器非常重要。 精確度和線性度：精確度是電容式觸摸控制器獲得的手指位置與實(shí)際手指位置的對(duì)比測(cè)量。線性誤差是指電容式觸摸控制器的報(bào)告坐標(biāo)與手指沿直線運(yùn)動(dòng)的預(yù)期坐標(biāo)之間的差值。這些測(cè)量結(jié)果受以下因素影響： ● 傳感器間距：傳感器間距越大，精確度和線性度就越差。 ● 固件算法：精確度與線性度可能會(huì)因手指位置預(yù)測(cè)算法的精確性不同而發(fā)生相應(yīng)變化。 固件可配置性：觸摸控制器的固件經(jīng)配置后可將不同的操作映射于不同的手勢(shì)，甚至還可動(dòng)態(tài)開發(fā)自定義手勢(shì)以提升最終用戶體驗(yàn)。 電容式觸摸控制器 當(dāng)今市場(chǎng)上的眾多電容式觸摸控制器都屬于模塊化元件。可通過模塊對(duì)電容式觸摸控制器進(jìn)行編程，以處理電容式觸摸檢測(cè)和手勢(shì)解碼，并將模塊作為I2C或SPI從器件連接到MCU。模塊化方案的主要局限性在于無法利用電容式觸摸控制器處理MCU活動(dòng)。 IC供應(yīng)商賽普拉斯擁有更穩(wěn)定可靠的解決方案，即賽普拉斯最新推出的單芯片解決方案PRoC-UI（可編程片上射頻系統(tǒng) – 用戶接口）（圖8）。該方案集成的控制器在與低功耗WirelessUSB-NL無線電元件配合工作時(shí)，既可以處理電容式觸摸功能也可以處理MCU功能。OEM廠商采用PRoC-UI就無需再使用MCU，避免了相關(guān)成本，進(jìn)而降低總體材料成本。 圖8：PRoC-UI，用于觸摸式無線HID的賽普拉斯單芯片解決方案。 控制器 可處理電容式觸摸與MCU功能 專用2.4GHz射頻支持無線通信 本文的第二部分將針對(duì)無線觸控HID介紹MCU和無線電元件以及系統(tǒng)級(jí)考慮因素。 第二部分 在文章的第一部分，我們探討了Windows 8的普及將如何推動(dòng)無線HID演進(jìn)發(fā)展，以融入觸控功能；介紹了無線觸控人機(jī)界面的三個(gè)基本構(gòu)建模塊（如圖4所示），即微控制器（MCU）、無線電元件和電容式觸摸控制器；另外，還對(duì)電容式觸摸控制器進(jìn)行了詳細(xì)探討。 微控制器和無線電是無線觸控HID的另外兩個(gè)重要模塊。 微控制器 － 功能與關(guān)鍵設(shè)計(jì)要領(lǐng) 微控制器（MCU）負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)所有子系統(tǒng)的活動(dòng)，其中包括從系統(tǒng)元件讀取數(shù)據(jù)，通過無線電元件向電子狗傳送信息，以及優(yōu)化系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)組件通過串行外設(shè)接口（SPI）/集成電路間（I2C）或通用輸入輸出（GPIO）引腳連接至MCU（如圖4所示）。 典型的MCU工作任務(wù)包括：在檢測(cè)到有效手勢(shì)時(shí)從電容式觸摸控制器向MCU發(fā)送中斷；隨后，MCU發(fā)啟一個(gè)讀取操作以便從電容式觸摸控制器獲取觸摸坐標(biāo)和手勢(shì)信息；另外，MCU還可從其他系統(tǒng)元件獲取信息，如觸摸式鼠標(biāo)的光傳感器；然后，將所有信息打包并發(fā)送給無線電元件進(jìn)行傳輸；此外，MCU還負(fù)責(zé)運(yùn)行可控制無線電元件的協(xié)議。關(guān)鍵設(shè)計(jì)要領(lǐng)包括： ● 接口支持 – MCU必須支持每個(gè)不同組件（無線電元件、光傳感器等）所需的接口。典型接口包括SPI和I2C等。 ● GPIO – 觸摸式鼠標(biāo)采用的光傳感器等組件通過GPIO連接到MCU。電池監(jiān)控、綁定按鈕（binding button）、LED和其他類似組件也需要GPIO。因此必須為MCU配置足夠數(shù)量的GPIO。 ● 集成型組件 – 片上組件對(duì)于MCU來說是一種附加優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@樣無需使用外部組件，有助于降低總體材料（BOM）成本。例如，片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可用于電池監(jiān)控。 ● 存儲(chǔ)器 – MCU必須具有足夠的閃存和足夠的RAM，才能運(yùn)行無線電協(xié)議并通過SPI/GPIO來控制其他組件。 ● CPU速度 – 通常情況下，工作頻率為20至24MHz的8位CPU就能滿足觸控式HID的系統(tǒng)要求。 無線電 – 功能與關(guān)鍵設(shè)計(jì)要領(lǐng) 大部分無線HID器件均采用專有的2.4GHz無線電IC。這些無線電元件通常采用高斯頻移鍵控（GFSK）進(jìn)行調(diào)制，并通過驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)行于MCU上的協(xié)議進(jìn)行控制。 MCU通過SPI將數(shù)據(jù)傳送至無線電元件。無線電元件再將信息組成幀并傳輸至PC或筆記本電腦上的電子狗。典型的無線電數(shù)據(jù)包包括： ● 前導(dǎo)碼 – 用于識(shí)別數(shù)據(jù)包開端的比特序列 ● 同步字 – 用于識(shí)別接收器與發(fā)送器的獨(dú)特比特序列 ● 有效載荷 – 正被傳輸?shù)男畔?br /> ● CRC – 循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）通常針對(duì)有效載荷計(jì)算，以確保數(shù)據(jù)的完整性 關(guān)鍵設(shè)計(jì)要領(lǐng) 吞吐量：吞吐量是指通過系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)總量，主要受以下因素影響： 空中數(shù)據(jù)速率：無線電空中數(shù)據(jù)速率是指無線電元件在空中傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)的速度。數(shù)據(jù)速率越高吞吐量就越大，但也更易于受到干擾。 數(shù)據(jù)包大小：大型數(shù)據(jù)包能減少與有效載荷相關(guān)的前導(dǎo)碼等的數(shù)位開銷，從而形成更大的吞吐量。但是，大型數(shù)據(jù)包也更容易受干擾影響，進(jìn)而導(dǎo)致傳輸失敗。 內(nèi)部緩沖區(qū)：無線電的內(nèi)部緩沖區(qū)被MCU用來發(fā)送或接收信息。緩沖區(qū)的大小決定了無線電元件一次能夠處理的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量。較大的緩沖區(qū)能減少M(fèi)CU用于分解大型數(shù)據(jù)包和多次加載內(nèi)部緩沖區(qū)所需的工作量。 范圍：無線HID需要采用具備10米通信距離的無線電元件。這取決于多方面因素，例如無線電元件的最大輸出功率、內(nèi)置低噪聲放大器（LNA）的性能（該放大器使無線電元件能夠接收低功率信號(hào)）以及天線設(shè)計(jì)。 干擾處理：2.4GHz無線電需要面對(duì)同樣采用2.4GHz ISM傳輸頻帶的藍(lán)牙、WiFi等干擾源帶來的干擾問題。無線電元件采用接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）等來檢測(cè)干擾。一旦檢測(cè)到干擾，就需要通過跳頻協(xié)議移動(dòng)到無干擾的信道。無線電IC供應(yīng)商可提供能整合干擾處理方法的協(xié)議，如賽普拉斯的AgileHID協(xié)議等。 全面整合 任何無線觸控HID都需要以上介紹的三個(gè)基本構(gòu)成模塊。根據(jù)具體HID應(yīng)用的要求，可能還需要其他元件，例如觸摸式鼠標(biāo)的光傳感器。以下列出了在選擇組件與供應(yīng)商時(shí)需要注意的幾個(gè)方面： ● 選擇低功耗組件以最小化整體系統(tǒng)功耗 ● 無線HID采用電池供電，低功耗不僅能延長(zhǎng)電池使用壽命，而且還是這類系統(tǒng)的重要特性 ● 甄選一家能縮短設(shè)計(jì)周期和上市時(shí)間的解決方案供應(yīng)商 由不同廠商提供組件并將其組裝到一起，會(huì)使設(shè)計(jì)周期更長(zhǎng)、更復(fù)雜。而賽普拉斯作為IC 供應(yīng)商不僅可提供包含集成型電容式觸摸控制器、MCU和無線電元件的完整解決方案，而且還能提供實(shí)例原理圖、材料清單、板面布局指南和實(shí)例固件等參考資料支持，從而大幅縮短設(shè)計(jì)周期、加速上市進(jìn)程。 成本考慮 – 面向大眾的觸摸式產(chǎn)品 成本是無線觸控HID制造商面臨的最大障礙。針對(duì)MCU、電容式觸摸控制器和無線電元件使用分立式IC會(huì)提高總體材料成本。無線HID市場(chǎng)對(duì)價(jià)格比較敏感，因此盡可能降低無線觸控HID的材料成本是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及的關(guān)鍵。而減少所需IC數(shù)量則是降低材料成本的最佳途徑。 賽普拉斯PRoC-UI是一套針對(duì)無線HID的單芯片方案，其可將無線電波與可處理電容式觸摸感應(yīng)和MCU功能的微控制器進(jìn)行集成。圖9對(duì)采用PRoC-UI和不采用PRoC-UI實(shí)施的觸摸式鼠標(biāo)架構(gòu)進(jìn)行了比較。 圖9：基于PRoC-UI的觸摸式鼠標(biāo)對(duì)比于典型的3芯片觸摸式鼠標(biāo)解決方案。 基于PROC-UI的無線觸控鼠標(biāo) 機(jī)械按鈕 觸摸板 天線 電池監(jiān)控電路 升壓轉(zhuǎn)換器 1.5V電池 穩(wěn)壓電源 無線觸控鼠標(biāo)的3芯片解決方案 無線電 天線 機(jī)械按鈕 觸摸板 電池監(jiān)控線路 微控制器 電容觸摸控制器 1.5V電池 升壓轉(zhuǎn)換器 穩(wěn)壓電源 如圖所示，PRoC-UI以單顆芯片替代了傳統(tǒng)的三顆IC（MCU、電容式觸摸控制器和無線電元件）方案，從而可顯著節(jié)約總體材料成本。此外，由于PRoC-UI解決方案無需采用獨(dú)立的MCU，因而功耗比典型的三芯片方案要低。憑借如此高效率、低成本的解決方案，推出低價(jià)格的無線觸控HID已成為現(xiàn)實(shí)。 免責(zé)聲明 – 微軟Windows 8操作系統(tǒng)和Wedge觸摸鼠標(biāo)以及羅技T650觸摸板的圖片均來自相關(guān)公司的官方網(wǎng)站，僅作為說明使用。賽普拉斯與任何這些產(chǎn)品并無關(guān)聯(lián)。 |
