利用接近檢測取代IR感應

2020-12-05 電子產品世界

       接近檢測被用於實現大量智能特性。例如貼近耳朵打電話時，採用接近感應的面部檢測能在無需使用其它功能時禁用觸控螢幕並關閉LCD，以防意外觸摸和節省電池電力。行動裝置中的接近檢測過去使用紅外(IR)傳感器實現。然而，為行動裝置添加IR接近傳感器會增加系統成本。本文將探討利用電容式觸控螢幕系統的自身特性實現接近檢測，以降低成本和縮小設備尺寸。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/275761.htm

　　接近傳感器是一種無需任何物理接觸即能檢測並報告附件物體存在的開關。它們是具有觸控螢幕界面的行動裝置的重要組件。

　　為什麼需要接近檢測?

　　1. 行動電話上接近檢測的主要功能是防止不必要的或意外的屏幕觸摸。這一特性最常見的用例是人的面部在打電話過程中與觸控螢幕接觸。面部或耳垂在與觸控螢幕表面接觸時會造成非必要的觸摸事件。

　　2. 另一項同樣重要的功能是接近檢測可用於在用戶通話時關閉行動電話上的LCD顯示屏。在不需要的時候關閉電話的顯示屏可節省電力，延長行動裝置的電池使用壽命(圖1：行動電話中的接近檢測)。

　　3. 行動裝置上的接近傳感器有時也可用於其它功能，比如計算比吸收率(SAR)。當行動裝置靠近人體時，SAR可用於衰減設備的射頻功率。這一特性最常應用於平板電腦，在行動電話中也偶爾採用。

　　行動裝置中的接近傳感器類型

　　在行動裝置中實現接近檢測的常見方法有：

　　1. 光學(IR)

　　2. 電氣(電容式)

　　兩種方法都是非侵入式，遵循相同的工作原理：接近傳感器要麼發射電場(電容式)，要麼發射紅外光束(光學)，然後檢測電場或反射光的變化。這兩者的系統設計、BOM成本、可靠性、功耗和性能各不相同。在兩種方法中，使用紅外信號的光檢測目前是最成熟，在移動應用中最廣泛使用的方式。

　　IR接近檢測

　　基於紅外技術的接近檢測需要兩個組件來構成光學前端：

　　1. 用於發射器的紅外LED

　　2. 用於接收器的光電二極體

　　接近傳感器中的IR LED通過行動裝置中的孔徑向外發射編碼的IR信號。行動裝置附近的目標(例如我們想要感應的物體)會產生IR信號反射。部分反射的信號會再通過孔徑，被光電二極體捕獲。反射的信號可讓IR接近傳感器判斷孔徑形成的光錐中是否有物體存在。

　　IR接近解決方案的缺點

　　IR接近傳感器有一定的缺點與局限，使得它們難以成為移動應用中的理想選擇。部分局限性包括附加成本(BOM成本)、功耗、死區和隨環境光照變化的不可靠操作。IR接近傳感器的局限，加上近期電容式檢測技術的進步以及對集成和更低成本的需求，促使行動電話製造商尋求替代解決方案。

　　行動裝置中的電容式觸摸檢測

　　電容式觸控螢幕系統可用於感應和檢測與觸控螢幕表面接觸的導電性物體。開發人員通過調整這些系統的靈敏度，能夠可靠地檢測屏幕上尺寸最小的目標物體(比如4-5mm的手指)。靈敏度調整，也稱為靈敏度調校，一般是通過設計較大觸摸傳感器或修改運行在觸摸控制器上的固件來實現的。

　　實驗證明，可以利用電容式傳感器的固有屬性來檢測距離屏幕較遠處的導電性物體。一般來說，用於檢測手指觸摸的傳感器硬體也可感應近距離物體。

　　電容式接近傳感器一般只有布爾值輸出，返回下列之一：

　　· 如果目標物體接近傳感器，則為「真」;

　　· 如果目標物體遠離傳感器，則為「假」。

　　「真」與「假」輸出的切換取決於設定的信號閾值。信號閾值對應的是當近距物體能被可靠檢測時，其到觸控螢幕的最小距離。接近信號閾值(即間接的接近距離)可通過改變觸控螢幕的靈敏度加以調整。

　　為觸摸解決方案添加電容式接近檢測

　　增加接近功能的最直接方法是提升信號靈敏度，使之能夠可靠檢測遠離屏幕的物體。

　　採用集成型觸摸和接近解決方案的優秀系統應該能夠：

　　· 可靠檢測所支持的最小手指尺寸;

　　· 在不造成信號值飽和的情況下，可靠檢測所支持的最大手指尺寸;

　　· 當物體進入一定距離閾值時，檢測接近中的物體。這種物體被稱為「靠近」或「鄰近」傳感器(圖2：接近檢測閾值)。

　　· 檢測物體離開或移出檢測區域。這種物體被稱為「遠離」傳感器(圖2：接近檢測閾值)。

　　· 在要求的響應時間內通知主機控制器(接近的或離開的物體)。

　　支持接近檢測的電容式觸摸系統必須克服信號飽和以及噪聲敏感性帶來的挑戰，才能實現可靠操作。克服此類挑戰的方法之一是運行單獨、專用的高靈敏度掃描，以檢測近距物體。在這種方法中，觸摸系統使用標準掃描方式，利用為標準靈敏度配置的固件檢測手指觸摸。此外也可以使用為高靈敏度配置的固件運行專用掃描，檢測與設備鄰近的物體。固件經過編程，可以只報告來自高靈敏度接近掃描的接近事件。來自其它物體的觸摸則不予報告。

　　與標準的手指事件相比，接近事件的響應時間要求要寬鬆得多。因此根據系統設置的要求，與標準的手指掃描相比，高靈敏度接近掃描的運行頻率可以低得多。在典型例子中，接近掃描的執行頻率可以是每五次標準掃描時執行一次接近掃描。在這種情況下：

　　對接近事件而言，只需5次標準掃描+1次接近掃描+處理<響應時間要求即可。

　　接近掃描一般是高靈敏度掃描，用於可靠地檢測遠離觸控螢幕表面的物體。這樣會讓系統易於受到噪聲影響。因此電容式接近解決方案必須具備高SNR來抑制噪聲。通過降低噪聲，就可以感應較小的接近信號(或實現更大的距離閾值)。可通過數字濾波技術、提高發射電壓、智能固件算法來實現此類系統的高SNR，同時確保滿足響應時間要求。

　　增加觸摸傳感器尺寸、使用固件算法或修改固件配置可以提高靈敏度。增大現有設計中的傳感器尺寸可能會造成過高成本。此外，傳感器尺寸還受設計和功耗因素的限制。這些限制讓固件修改成為提高靈敏度的最理想方法。

　　但是提高觸摸系統的靈敏度會帶來下列挑戰：

　　1)提高系統對接近物體的靈敏度也會提高系統對標準手指的靈敏度。這樣可能會造成其它觸摸物體(包括標準大小的手指)的信號值飽和。

　　2)提高靈敏度還會增加系統對噪聲的敏感性。

　　接近信號值會隨目標物體遠離觸控螢幕而減小。如果所需檢測閾值(距離)增大，觸控螢幕的靈敏度也需要提高，從而增大發生飽和以及噪聲敏感性的機率。

　　電容式接近檢測的優勢

　　行動裝置近來的趨勢是更輕更薄，讓設備表面和內部的空間極為珍貴。利用電容式觸摸傳感器的接近檢測功能取代傳統的IR接近傳感器，可以降低系統成本、減少BOM、簡化設計，加快產品上市進程。但這種方法的最大局限是其對導電性物體更加敏感。雖然這種方法能有效地檢測表面，但平板電腦和電子閱讀器不能使用這種方法檢測其是否被覆蓋或關閉，除非外殼是使用金屬或其它導電性材料製作而成。

　　成本下降

　　傳統IR接近傳感器(含發射器/接收器對)的成本一般在1美元左右，另需增加0.10美元成本用於這些組件的加工和布局(板上面積會增大製造成本)。另外還有把IR傳感器數據集成到主機處理器軟體發生的非經常性工程成本(NRE)。

　　在使用傳統IR傳感器時，行動裝置上的彩色不透明覆蓋層需要一個透明窗口，才能讓光抵達IR接收器。電容式接近檢測可以無需該透明窗口，從而降低成本，增加美感。

　　BOM簡化與集成

　　釋放電話上寶貴空間的方法之一是把多項功能集成到電話上的單個器件或IC上。在電容式觸摸控制器上集成接近檢測功能可減少BOM成本，節省板上空間。

　　提高可靠性

　　IR接近檢測器容易受環境光照條件造成的錯誤讀取的影響，與電容式檢測器相比可靠性較低。IR接近檢測器布置在行動電話頂部，讓兩側的接近檢測變得非常困難和不可靠。採用電容式接近檢測後，整個屏幕都可用於檢測物體，因此具有在行動裝置表面提供一致靈敏度的優勢。

　　降低功耗

　　使用觸控螢幕的電容式接近傳感器與IR傳感器相比非常節能。在現有觸控螢幕上集成電容式接近特性能將系統電流消耗降低15到30mA。

　　傳感器實現、布局與加工

　　電容式接近檢測方法能重複利用觸控螢幕傳感器，以檢測近距物體。無需為接近檢測進行專門的傳感器設計、實現、布局和加工。

　　設計簡化

　　主機控制器只需就基本的觸摸事件和接近事件與觸控螢幕控制器進行通信。主機控制器的接近數據可作為標準觸摸報告的一部分進行發送，從而簡化軟體集成工作。

　　行動裝置正在越來越多地搭載智能特性。OEM廠商需要在不犧牲尺寸、美感或BOM成本的情況下增加新特性。利用電容式觸摸解決方案固有特性的接近檢測可幫助降低BOM、NRE和製造成本，在最大限度提高利潤的同時讓行動裝置外形更加美觀實用。

　　賽普拉斯在旗下的多個產品線中提供面部檢測或接近檢測功能，其中包括CY8CTMA46X和CYTMA445A系列。採用賽普拉斯的高級觸摸解決方案設計接近特性，可確保實現高可靠性、高SNR、優異的抗噪性、更低的功耗和系統成本，同時提升性能，增強最終用戶的體驗。

　　作者：賽普拉斯半導體公司Jacob Tomy
 
        參考資料：

　　1. TrueTouch高級特性的產品概述： http://www.cypress.com/?docID=44683

　　2. 賽普拉斯TrueTouch解決方案中的接近/面部檢測特性： http://www.cypress.com/touch/#Features

　　3. 具備接近/面部檢測特性的賽普拉斯Gen4和Gen4X(CYTMA46X和CYTMA445A)解決方案： http://www.cypress.com/touch/#Solutions

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