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這篇產品指南文章分析了基于MCU的HID（人機接口設備）的設計人員針對Windows 8電腦所面臨的挑戰，并說明了該公司的PRoC-UI如何可以用于減少元器件數量和成本。 第一部分 2012年10月，全世界見證了迄今最大規模的產品發布活動之一，即微軟發布采用其最新用戶界面（UI）和Windows風格應用的Windows 8。盡管存在批評的聲音，但事實上這款最新操作系統針對客戶與PC的交互方式進行了根本性的改變。 Windows 8的現代UI經過精心設計，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進行了以下幾項修改： ● 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所示的針對應用、網站和文件夾等的拼貼圖選項區。 ● 包含了用于啟動常用功能的觸摸手勢操作： ― 包含搜索、設置等功能的Charms Bar：使用單個手指從右側邊緣向中心滑動即可調出。 ― 用于啟動任何應用的命令菜單：使用單個手指從頂部邊緣向中心滑動即可調出。 ― 翻閱式瀏覽所有已打開的應用：使用單個手指從左側邊緣向中心滑動。 圖1：Windows 8開始屏幕。 由于包含了用于啟動常用功能的觸摸手勢操作，因而必須針對Windows 8為硬件添加觸摸處理功能。 HID的觸摸支持蓄勢待發 雖然觸摸功能是平板電腦所固有的，但全世界的PC機和筆記本電腦也同樣需要部署Windows 8。這就意味著鼠標和鍵盤等人機接口設備（HID）需要演進發展并提供觸摸功能。隨著羅技（Logitech）和微軟等主要OEM廠商推出無線觸控鼠標和觸控板（圖2、圖3），這種演變已經展開。 圖2：微軟的Wedge觸摸式鼠標。 圖3：羅技T650無線觸控板。 隨著Windows 8被更多客戶所采用，預計對于觸摸式HID的需求將隨之出現大幅增長。為了跟上HID的最新潮流，大部分這些外設都將配備無線功能，從而推動全世界的OEM廠商都在尋找可用于構建無線觸控HID的高效、高質量且極富成本優勢的元件。 無線觸控HID的基本構建模塊 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道爾芯片進行通信。對于HID設計人員來說，詳盡了解這三個基本構建模塊的功能至關重要。 圖4：觸摸式無線HID的的基本構成模塊。 微控制器 機械按鈕 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觸摸板表面的電容變化，以確定手指的位置。觸摸板通常創建在印刷電路板（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電材料制作而成。觸摸板由行傳感器和列傳感器構成，并組成圖5所示的網格形狀。 圖5：具有傳感器網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，并記錄每個傳感器的電容值。手指與觸摸板的接觸會改變接觸位置處的傳感器電容。觸摸控制器可感應電容的相對變化并計算出實際的手指位置（即X和Y軸的位置）。將當前的手指位置與此前記錄的位置進行比較，以便對手勢進行解碼。需要在芯片上進行手勢計算，以避免在Windows操作系統上額外安裝驅動器。一旦檢測到新的手勢，電容式觸摸控制器就會利用中斷將數據可用信息報告給MCU并等待MCU讀取數據（圖6）。 圖6：電容式觸摸控制器——固件流程。 掃描傳感器 計算手指的位置 解碼手勢 是否檢測到新的手勢 通知MCU 等待MCU讀取數據 將數據發送至MCU 電容式觸摸——設計要領 設計電容無線觸控HID時需要記住的關鍵設計要領包括： 刷新時間：刷新時間是指電容式觸摸控制器兩次連續報告的時間間隔。隨著所掃描電容傳感器的數量增加，掃描所有傳感器的總時間將會相應增加，從而延長刷新時間。 外覆層材料與厚度：手指觸發電容與外覆層材料的厚度成反比，與介電常數成正比。為了實現最佳手指響應，外覆層材料的介電常數應該較高而厚度則應較薄。 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導致精確度和線性度降低。 圖7：觸摸板的傳感器間距。 電容感應引腳：電容式觸摸板上的每個傳感器均需連接至一個電容感應引腳。如果觸摸控制器沒有足夠的電容感應引腳，則可增大傳感器間距以支持所需的觸摸板區域。但是這種方案會導致精確度和線性度的降低。因此，選擇具有足夠多電容感應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際手指位置的對比測量。線性誤差是指電容式觸摸控制器的報告坐標與手指沿直線運動的預期坐標之間的差值。這些測量結果受以下因素影響： ● 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因手指位置預測算法的精確性不同而發生相應變化。 固件可配置性：觸摸控制器的固件經配置后可將不同的操作映射于不同的手勢，甚至還可動態開發自定義手勢以提升最終用戶體驗。 電容式觸摸控制器 當今市場上的眾多電容式觸摸控制器都屬于模塊化元件。可通過模塊對電容式觸摸控制器進行編程，以處理電容式觸摸檢測和手勢解碼，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。 IC供應商賽普拉斯擁有更穩定可靠的解決方案，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 – 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，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，避免了相關成本，進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無線觸控HID介紹MCU和無線電元件以及系統級考慮因素。 第二部分 在文章的第一部分，我們探討了Windows 8的普及將如何推動無線HID演進發展，以融入觸控功能；介紹了無線觸控人機界面的三個基本構建模塊（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，還對電容式觸摸控制器進行了詳細探討。 微控制器和無線電是無線觸控HID的另外兩個重要模塊。 微控制器 － 功能與關鍵設計要領 微控制器（MCU）負責協調所有子系統的活動，其中包括從系統元件讀取數據，通過無線電元件向電子狗傳送信息，以及優化系統功耗。系統組件通過串行外設接口（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工作任務包括：在檢測到有效手勢時從電容式觸摸控制器向MCU發送中斷；隨后，MCU發啟一個讀取操作以便從電容式觸摸控制器獲取觸摸坐標和手勢信息；另外，MCU還可從其他系統元件獲取信息，如觸摸式鼠標的光傳感器；然后，將所有信息打包并發送給無線電元件進行傳輸；此外，MCU還負責運行可控制無線電元件的協議。關鍵設計要領包括： ● 接口支持 – MCU必須支持每個不同組件（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 – 觸摸式鼠標采用的光傳感器等組件通過GPIO連接到MCU。電池監控、綁定按鈕（binding button）、LED和其他類似組件也需要GPIO。因此必須為MCU配置足夠數量的GPIO。 ● 集成型組件 – 片上組件對于MCU來說是一種附加優勢，因為這樣無需使用外部組件，有助于降低總體材料（BOM）成本。例如，片上模數轉換器（ADC）可用于電池監控。 ● 存儲器 – MCU必須具有足夠的閃存和足夠的RAM，才能運行無線電協議并通過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的系統要求。 無線電 – 功能與關鍵設計要領 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）進行調制，并通過驅動器和運行于MCU上的協議進行控制。 MCU通過SPI將數據傳送至無線電元件。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。典型的無線電數據包包括： ● 前導碼 – 用于識別數據包開端的比特序列 ● 同步字 – 用于識別接收器與發送器的獨特比特序列 ● 有效載荷 – 正被傳輸的信息 ● CRC – 循環冗余校驗（CRC）通常針對有效載荷計算，以確保數據的完整性 關鍵設計要領 吞吐量：吞吐量是指通過系統傳送的數據總量，主要受以下因素影響： 空中數據速率：無線電空中數據速率是指無線電元件在空中傳輸數據經的速度。數據速率越高吞吐量就越大，但也更易于受到干擾。 數據包大小：大型數據包能減少與有效載荷相關的前導碼等的數位開銷，從而形成更大的吞吐量。但是，大型數據包也更容易受干擾影響，進而導致傳輸失敗。 內部緩沖區：無線電的內部緩沖區被MCU用來發送或接收信息。緩沖區的大小決定了無線電元件一次能夠處理的數據字節數量。較大的緩沖區能減少MCU用于分解大型數據包和多次加載內部緩沖區所需的工作量。 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）以及天線設計。 干擾處理：2.4GHz無線電需要面對同樣采用2.4GHz ISM傳輸頻帶的藍牙、WiFi等干擾源帶來的干擾問題。無線電元件采用接收信號強度指示器（RSSI）等來檢測干擾。一旦檢測到干擾，就需要通過跳頻協議移動到無干擾的信道。無線電IC供應商可提供能整合干擾處理方法的協議，如賽普拉斯的AgileHID協議等。 全面整合 任何無線觸控HID都需要以上介紹的三個基本構成模塊。根據具體HID應用的要求，可能還需要其他元件，例如觸摸式鼠標的光傳感器。以下列出了在選擇組件與供應商時需要注意的幾個方面： ● 選擇低功耗組件以最小化整體系統功耗 ● 無線HID采用電池供電，低功耗不僅能延長電池使用壽命，而且還是這類系統的重要特性 ● 甄選一家能縮短設計周期和上市時間的解決方案供應商 由不同廠商提供組件并將其組裝到一起，會使設計周期更長、更復雜。而賽普拉斯作為IC 供應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，而且還能提供實例原理圖、材料清單、板面布局指南和實例固件等參考資料支持，從而大幅縮短設計周期、加速上市進程。 成本考慮 – 面向大眾的觸摸式產品 成本是無線觸控HID制造商面臨的最大障礙。針對MCU、電容式觸摸控制器和無線電元件使用分立式IC會提高總體材料成本。無線HID市場對價格比較敏感，因此盡可能降低無線觸控HID的材料成本是實現大規模普及的關鍵。而減少所需IC數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和MCU功能的微控制器進行集成。圖9對采用PRoC-UI和不采用PRoC-UI實施的觸摸式鼠標架構進行了比較。 圖9：基于PRoC-UI的觸摸式鼠標對比于典型的3芯片觸摸式鼠標解決方案。 基于PROC-UI的無線觸控鼠標 機械按鈕 觸摸板 天線 電池監控電路 升壓轉換器 1.5V電池 穩壓電源 無線觸控鼠標的3芯片解決方案 無線電 天線 機械按鈕 觸摸板 電池監控線路 微控制器 電容觸摸控制器 1.5V電池 升壓轉換器 穩壓電源 如圖所示，PRoC-UI以單顆芯片替代了傳統的三顆IC（MCU、電容式觸摸控制器和無線電元件）方案，從而可顯著節約總體材料成本。此外，由于PRoC-UI解決方案無需采用獨立的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，推出低價格的無線觸控HID已成為現實。 免責聲明 – 微軟Windows 8操作系統和Wedge觸摸鼠標以及羅技T650觸摸板的圖片均來自相關公司的官方網站，僅作為說明使用。賽普拉斯與任何這些產品并無關聯。 |
