高級(jí)LED效果燈的電容式感應(yīng)如何設(shè)計(jì)

電容式觸摸感應(yīng)是一項(xiàng)用于在智能手機(jī)、平板電腦、液晶和LED電視等各種電子應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)直觀用戶界面（UI）的流行技術(shù)。觸摸按鍵正在快速取代傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵。不過(guò)，與本身提供用戶觸覺(jué)反饋的機(jī)械按鍵不同，觸摸按鍵需要額外的組件才能提供反饋。LED廣泛用于實(shí)現(xiàn)視覺(jué)反饋，并為基于觸摸的UI提供背光照明。

一些應(yīng)用除了簡(jiǎn)單地開(kāi)啟和關(guān)閉LED之外還需要更多視覺(jué)效果。舉例來(lái)說(shuō)，筆記本電腦可在設(shè)備待機(jī)狀態(tài)下讓電源LED閃爍，亮度發(fā)生明暗變化，形成一種所謂的呼吸效應(yīng)，這也是設(shè)備中使用的眾多LED效果（淡入淡出或閃爍）之一。高級(jí)LED效果結(jié)合電容式觸摸按鍵能提高系統(tǒng)的美感并改善用戶體驗(yàn)。

我們通常希望使用同一片上系統(tǒng)（SoC）來(lái)實(shí)現(xiàn)多種特性，從而降低BOM成本。在共有四部分的系列文章中，我們將介紹用同一SoC實(shí)現(xiàn)電容式感應(yīng)和LED照明的不同方面，包括：

●我們將通過(guò)實(shí)際使用案例簡(jiǎn)單介紹電容式感應(yīng)型UI應(yīng)用中所采用的不同LED照明技術(shù)。

●脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）是實(shí)現(xiàn)LED效果的常見(jiàn)技術(shù)之一。我們將分析采用PWM技術(shù)的不同LED效果實(shí)現(xiàn)方案，從而探討如何選擇適當(dāng)?shù)腟oC。

●在同一SoC中整合實(shí)現(xiàn)多種特性肯定會(huì)充滿挑戰(zhàn)。要確保設(shè)計(jì)的高健碩性，就必須解決這些挑戰(zhàn)。我們將討論的常見(jiàn)挑戰(zhàn)包括：LED和電容式傳感器之間的串?dāng)_、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度功能、導(dǎo)致電容式感應(yīng)子系統(tǒng)內(nèi)部噪聲的LED負(fù)載瞬態(tài)以及避免方法。

●功耗優(yōu)化對(duì)于任何電子系統(tǒng)都非常重要。我們將討論需要LED效果的應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)考慮因素。

LED效果

高效的用戶界面設(shè)計(jì)需要在具備電容式觸摸按鍵情況下提供某種用戶反饋功能。當(dāng)用戶按壓機(jī)械按鍵時(shí)，機(jī)械按鍵本身就具備觸覺(jué)反饋功能。然而電容式按鍵則不能提供這種觸覺(jué)反饋。因此，采用電容式觸摸按鍵的UI可以采用不同的反饋形式，包括視覺(jué)、音效、觸覺(jué)等。根據(jù)用戶界面設(shè)計(jì)，也可組合采用多種不同類型的反饋。在這些反饋類型中，用LED實(shí)現(xiàn)視覺(jué)反饋是一種常見(jiàn)的選擇。我們?cè)诖藢⒔榻B一些不同類型的LED效果及其使用案例。

傳感器狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的LED控制

為了改進(jìn)對(duì)用戶的視覺(jué)反饋或模仿機(jī)械開(kāi)關(guān)，LED可在固件中采取多種不同的控制方式。一些常見(jiàn)的方法包括：

1.LED開(kāi)關(guān)

這是最簡(jiǎn)單的LED效果類型，通常用來(lái)顯示觸摸狀態(tài)。LED位于傳感器導(dǎo)體片背后作為背光。當(dāng)有觸摸時(shí)，此LED點(diǎn)亮為按鍵提供照明，沒(méi)有觸摸時(shí)LED就關(guān)閉。該應(yīng)用實(shí)例為Samsung Galaxy S4等Android手機(jī)的菜單或后退按鍵。

2.閃爍

電視機(jī)制造商通常為不同型號(hào)的電視提供標(biāo)準(zhǔn)的遙控器。遙控器上的某些按鍵可能不支持某些型號(hào)的電視機(jī)。在此情況下，如果觸摸的按鍵無(wú)效，可通過(guò)LED閃爍背光效果來(lái)發(fā)出提示，這是通過(guò)周期性開(kāi)關(guān)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.切換

設(shè)想一下，房間燈光用機(jī)械開(kāi)關(guān)控制。按下一次開(kāi)關(guān)，燈會(huì)打開(kāi)。只要開(kāi)關(guān)繼續(xù)保持這種狀態(tài)，燈就會(huì)一直開(kāi)著。再按一次開(kāi)關(guān)，燈就會(huì)熄滅。切換特性類似于這種機(jī)械切換開(kāi)關(guān)。當(dāng)觸摸電容式按鍵時(shí)，相應(yīng)的LED燈會(huì)點(diǎn)亮。即便用戶手指離開(kāi)按鍵，LED燈還會(huì)一直亮著。如果用戶再次觸摸按鍵，LED燈就會(huì)關(guān)閉。也就是說(shuō)，在每個(gè)電容式傳感器狀態(tài)的上升沿，輸出狀態(tài)都會(huì)切換其狀態(tài)，具體如下圖所示。CS0反映傳感器狀態(tài)，而GPO0反映LED狀態(tài)。

圖1：LED切換

4.LED開(kāi)啟時(shí)間

通常對(duì)于電容式按鍵來(lái)說(shuō)，LED直接位于按鍵之下，從中心位置發(fā)光。用戶手指放在按鍵上，LED就會(huì)被隱藏起來(lái)。在此情況下，如果用戶手剛從按鍵上拿開(kāi)LED燈就馬上關(guān)閉，那么用戶可能難以確定按鍵操作到底成功沒(méi)有。為此，我們可以讓LED在觸摸結(jié)束后保持“開(kāi)啟”一小段時(shí)間，從而為用戶提供更好的視覺(jué)反饋。這種特性就叫LED開(kāi)啟時(shí)間，如圖2所示。

圖2：LED開(kāi)啟時(shí)間

高級(jí)LED效果

通過(guò)改變LED燈的亮度能夠?qū)崿F(xiàn)許多高級(jí)效果。設(shè)想一下，一臺(tái)電視機(jī)的前面板可通過(guò)觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)不同操作，包括調(diào)節(jié)音量等。下圖就是電視機(jī)面板的一個(gè)實(shí)例。

高級(jí)LED效果燈的電容式感應(yīng)設(shè)計(jì)

圖3：采用背光觸摸按鍵的電視前面板

面板為全黑色，表面光亮，匹配邊角設(shè)計(jì)

和美學(xué)效果要求。為了讓用戶能在黑暗條件下方便控制，按鍵始終用低亮度LED點(diǎn)亮。如果觸摸到按鍵，LED亮度會(huì)提高。

PWM是LED亮度控制應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)改變PWM輸出的占空比，我們能如圖4一樣調(diào)節(jié)LED亮度，從而讓用戶界面的亮度對(duì)應(yīng)于按鍵狀態(tài)和環(huán)境光條件。事實(shí)上，改變亮度正是呼吸、淡入淡出等高級(jí)效果的基礎(chǔ)所在。我們將在第二部分介紹PWM的設(shè)計(jì)參數(shù)和多種不同實(shí)現(xiàn)方案。

圖4：LED亮度控制

1.LED淡入淡出

淡入淡出就是讓亮度逐級(jí)變化。低亮度變?yōu)楦吡炼冉械?，相反的就叫淡出。通過(guò)不同LED狀態(tài)之間的一系列小步驟逐漸改變占空比，我們能實(shí)現(xiàn)淡入淡出效果（見(jiàn)下圖）。

2.LED呼吸

我們?cè)诒疚拈_(kāi)始處通過(guò)筆記本電腦的電源鍵為例簡(jiǎn)單介紹了一下呼吸效應(yīng)。持續(xù)地逐漸提升或逐漸下降兩級(jí)之間的占空比能讓LED形成“呼吸”的效果，如圖6所示。待機(jī)模式下電源按鍵支持呼吸效應(yīng)能告訴用戶電源按鍵是活動(dòng)狀態(tài)并能進(jìn)行操作。

圖6：LED呼吸

一些廠商已經(jīng)推出了用單芯片實(shí)現(xiàn)上述高級(jí)LED效果和電容式感應(yīng)的可配置型器件，比方說(shuō)賽普拉斯的CY8CMBR2110和CapSense MBR3.

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