利用接近检测取代IR感应
发布时间：2015-11-30 14:08
发布者：designapp
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接近检测被用于实现大量智能特性。例如贴近耳朵打电话时，采用接近感应的面部检测能在无需使用其它功能时禁用触摸屏并关闭LCD，以防意外触摸和节省电池电力。移动设备中的接近检测过去使用红外(IR)传感器实现。然而，为移动设备添加IR接近传感器会增加系统成本。本文将探讨利用电容式触摸屏系统的自身特性实现接近检测，以降低成本和缩小设备尺寸。 接近传感器是一种无需任何物理接触即能检测并报告附件物体存在的开关。它们是具有触摸屏界面的移动设备的重要组件。 为什么需要接近检测? 1. 移动电话上接近检测的主要功能是防止不必要的或意外的屏幕触摸。这一特性最常见的用例是人的面部在打电话过程中与触摸屏接触。面部或耳垂在与触摸屏表面接触时会造成非必要的触摸事件。 2. 另一项同样重要的功能是接近检测可用于在用户通话时关闭移动电话上的LCD显示屏。在不需要的时候关闭电话的显示屏可节省电力，延长移动设备的电池使用寿命(图1：移动电话中的接近检测)。 3. 移动设备上的接近传感器有时也可用于其它功能，比如计算比吸收率(SAR)。当移动设备靠近人体时，SAR可用于衰减设备的射频功率。这一特性最常应用于平板电脑，在移动电话中也偶尔采用。  移动设备中的接近传感器类型 在移动设备中实现接近检测的常见方法有： 1. 光学(IR) 2. 电气(电容式) 两种方法都是非侵入式，遵循相同的工作原理：接近传感器要么发射电场(电容式)，要么发射红外光束(光学)，然后检测电场或反射光的变化。这两者的系统设计、BOM成本、可靠性、功耗和性能各不相同。在两种方法中，使用红外信号的光检测目前是最成熟，在移动应用中最广泛使用的方式。 IR接近检测 基于红外技术的接近检测需要两个组件来构成光学前端： 1. 用于发射器的红外LED 2. 用于接收器的光电二极管 接近传感器中的IR LED通过移动设备中的孔径向外发射编码的IR信号。移动设备附近的目标(例如我们想要感应的物体)会产生IR信号反射。部分反射的信号会再通过孔径，被光电二极管捕获。反射的信号可让IR接近传感器判断孔径形成的光锥中是否有物体存在。 IR接近解决方案的缺点 IR接近传感器有一定的缺点与局限，使得它们难以成为移动应用中的理想选择。部分局限性包括附加成本(BOM成本)、功耗、死区和随环境光照变化的不可靠操作。IR接近传感器的局限，加上近期电容式检测技术的进步以及对集成和更低成本的需求，促使移动电话制造商寻求替代解决方案。 移动设备中的电容式触摸检测 电容式触摸屏系统可用于感应和检测与触摸屏表面接触的导电性物体。开发人员通过调整这些系统的灵敏度，能够可靠地检测屏幕上尺寸最小的目标物体(比如4-5mm的手指)。灵敏度调整，也称为灵敏度调校，一般是通过设计较大触摸传感器或修改运行在触摸控制器上的固件来实现的。 实验证明，可以利用电容式传感器的固有属性来检测距离屏幕较远处的导电性物体。一般来说，用于检测手指触摸的传感器硬件也可感应近距离物体。 电容式接近传感器一般只有布尔值输出，返回下列之一： · 如果目标物体接近传感器，则为“真”; · 如果目标物体远离传感器，则为“假”。 “真”与“假”输出的切换取决于设定的信号阈值。信号阈值对应的是当近距物体能被可靠检测时，其到触摸屏的最小距离。接近信号阈值(即间接的接近距离)可通过改变触摸屏的灵敏度加以调整。  为触摸解决方案添加电容式接近检测 增加接近功能的最直接方法是提升信号灵敏度，使之能够可靠检测远离屏幕的物体。 采用集成型触摸和接近解决方案的优秀系统应该能够： · 可靠检测所支持的最小手指尺寸; · 在不造成信号值饱和的情况下，可靠检测所支持的最大手指尺寸; · 当物体进入一定距离阈值时，检测接近中的物体。这种物体被称为“靠近”或“邻近”传感器(图2：接近检测阈值)。 · 检测物体离开或移出检测区域。这种物体被称为“远离”传感器(图2：接近检测阈值)。 · 在要求的响应时间内通知主机控制器(接近的或离开的物体)。 支持接近检测的电容式触摸系统必须克服信号饱和以及噪声敏感性带来的挑战，才能实现可靠操作。克服此类挑战的方法之一是运行单独、专用的高灵敏度扫描，以检测近距物体。在这种方法中，触摸系统使用标准扫描方式，利用为标准灵敏度配置的固件检测手指触摸。此外也可以使用为高灵敏度配置的固件运行专用扫描，检测与设备邻近的物体。固件经过编程，可以只报告来自高灵敏度接近扫描的接近事件。来自其它物体的触摸则不予报告。 与标准的手指事件相比，接近事件的响应时间要求要宽松得多。因此根据系统设置的要求，与标准的手指扫描相比，高灵敏度接近扫描的运行频率可以低得多。在典型例子中，接近扫描的执行频率可以是每五次标准扫描时执行一次接近扫描。在这种情况下： 对接近事件而言，只需5次标准扫描+1次接近扫描+处理传感器尺寸、使用固件算法或修改固件配置可以提高灵敏度。增大现有设计中的传感器尺寸可能会造成过高成本。此外，传感器尺寸还受设计和功耗因素的限制。这些限制让固件修改成为提高灵敏度的最理想方法。 但是提高触摸系统的灵敏度会带来下列挑战： 1)提高系统对接近物体的灵敏度也会提高系统对标准手指的灵敏度。这样可能会造成其它触摸物体(包括标准大小的手指)的信号值饱和。 2)提高灵敏度还会增加系统对噪声的敏感性。 接近信号值会随目标物体远离触摸屏而减小。如果所需检测阈值(距离)增大，触摸屏的灵敏度也需要提高，从而增大发生饱和以及噪声敏感性的几率。 电容式接近检测的优势 移动设备近来的趋势是更轻更薄，让设备表面和内部的空间极为珍贵。利用电容式触摸传感器的接近检测功能取代传统的IR接近传感器，可以降低系统成本、减少BOM、简化设计，加快产品上市进程。但这种方法的最大局限是其对导电性物体更加敏感。虽然这种方法能有效地检测表面，但平板电脑和电子阅读器不能使用这种方法检测其是否被覆盖或关闭，除非外壳是使用金属或其它导电性材料制作而成。 成本下降 传统IR接近传感器(含发射器/接收器对)的成本一般在1美元左右，另需增加0.10美元成本用于这些组件的加工和布局(板上面积会增大制造成本)。另外还有把IR传感器数据集成到主机处理器软件发生的非经常性工程成本(NRE)。 在使用传统IR传感器时，移动设备上的彩色不透明覆盖层需要一个透明窗口，才能让光抵达IR接收器。电容式接近检测可以无需该透明窗口，从而降低成本，增加美感。 BOM简化与集成 释放电话上宝贵空间的方法之一是把多项功能集成到电话上的单个器件或IC上。在电容式触摸控制器上集成接近检测功能可减少BOM成本，节省板上空间。 提高可靠性 IR接近检测器容易受环境光照条件造成的错误读取的影响，与电容式检测器相比可靠性较低。IR接近检测器布置在移动电话顶部，让两侧的接近检测变得非常困难和不可靠。采用电容式接近检测后，整个屏幕都可用于检测物体，因此具有在移动设备表面提供一致灵敏度的优势。  降低功耗 使用触摸屏的电容式接近传感器与IR传感器相比非常节能。在现有触摸屏上集成电容式接近特性能将系统电流消耗降低15到30mA。 传感器实现、布局与加工 电容式接近检测方法能重复利用触摸屏传感器，以检测近距物体。无需为接近检测进行专门的传感器设计、实现、布局和加工。 设计简化 主机控制器只需就基本的触摸事件和接近事件与触摸屏控制器进行通信。主机控制器的接近数据可作为标准触摸报告的一部分进行发送，从而简化软件集成工作。 移动设备正在越来越多地搭载智能特性。OEM厂商需要在不牺牲尺寸、美感或BOM成本的情况下增加新特性。利用电容式触摸解决方案固有特性的接近检测可帮助降低BOM、NRE和制造成本，在最大限度提高利润的同时让移动设备外形更加美观实用。 赛普拉斯在旗下的多个产品线中提供面部检测或接近检测功能，其中包括CY8CTMA46X和CYTMA445A系列。采用赛普拉斯的高级触摸解决方案设计接近特性，可确保实现高可靠性、高SNR、优异的抗噪性、更低的功耗和系统成本，同时提升性能，增强最终用户的体验。 作者：赛普拉斯半导体公司Jacob Tomy 参考资料： 1. TrueTouch高级特性的产品概述： http://www.cypress.com/?docID=44683 2. 赛普拉斯TrueTouch解决方案中的接近/面部检测特性： http://www.cypress.com/touch/#Features 3. 具备接近/面部检测特性的赛普拉斯Gen4和Gen4X(CYTMA46X和CYTMA445A)解决方案： http://www.cypress.com/touch/#Solutions |
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