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：xitonghuanxingsaomiaoanjianchengxu
，dangpanduananjianyouxiaoshi
，chufaxinrenwu，bingbushijiangsuoyouderenwuchuliwanbi。zaidangqiandexunhuanzhouqinei，chufadexinrenwukenengmeiyouchuliwanbi，xuyaoxiayigehuozhegengduogexitongxunhuandeshijiancaikeyiwancheng。dangpanduananjianwuxiaoshi，bushimashangjinruxiumianmoshi，ershipanduanshifouyoumeiyouchuliwanbiderenwu。ruguoyouzejixuchuli；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”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。