瘦身计划：减少微控制器使用的电容式触摸屏控制器案例分析

　　摘要：本文介绍如何利用新的传感器技术让电容式触摸屏“>电容式触摸屏控制器应用中更具成本效益，从而逐渐取代电阻式触摸屏。

　　触摸屏无处不在！尽管检测触摸动作的方法已经发展了数年时间，但直到最近它们才又恢复了生机，因为一些老技术得到重新开放和重生(我正在研究光学触摸)。触摸屏正不断进入到我们的家庭和日常消费类设备中。为什么这么说？看看运行安卓系统的最新、最伟大的数码相机吧。除玩“愤怒的小鸟”游戏以外，您还可以用它们照相。噢，您想要外出旅游吧！不管这些新应用是如何变得普遍流行的，当您拿出您的消费类显微镜观察牛排被油炸过后发出嘶嘶声的原因，并对其进行分析时，您就会明白新技术所带来的这些巨大进步。

　　凭借其巨大的出货量与其一年一次的变化，移动市场大大拓展和发展了触摸屏控制技术。毫无疑问，对于广大消费者而言，触摸屏技术迈出的第一步是电阻式触摸技术。它的手写功能为文字输入带来了一种全新的方法。在今天的社会中，手写输入已经和知道如何“正确”地在星巴克点单一样，成为您社会地位的无言象征。如果您不知道这种技术，那么您就过时了。电阻式触摸技术曾在移动市场占有“王座”的地位，直到最近才被其新出现的“篡位者”打败：电容式触摸 (cap touch) 屏控制。最初使用时，这种技术为一种专有技术，但之后越来越多的公司看到了它的好处，开始屈身致力于这种技术的开发工作。那么，它有什么特别之处呢？让我们来深入研究电容式触摸技术及其成熟过程和各种版本情况。

　　第一次实现的电容式触摸一次只能识别一个触摸动作。毕竟，这正是电阻式触摸屏所能实现的。那么，为什么我们需要同时多点触摸呢？这种单一固有电容仅监控一个检测通道的接地电容值。当人们渴望拥有多点触摸时，一种新的方法出现了。在这种情况下，表面电容或者仅固有电容形成幻影效应。

　　为了解决这个问题，我们使用互电容概念来监控每排和列之间组合的电容值。这种方法让系统拥有更高的精确度，但是搜索数从算数搜索变为几何搜索。现在比较排数*列数和排数+列数。

　　这些基本的触摸检测系统，演化出了手势识别、对象拒绝和其它功能。最初，这些功能要求更多的功耗，因此触摸设计人员使用现有微控制器，并对必要模拟工具进行一些改进，以应对开发工作。他们可能完成了工作，但这是最为有效的方法吗？未必。经常有人告诉我，您不必最优秀，只需比竞争者好便可。

　　谈及人生安全时，就会讲到从众心理。但在商界，随大流并不总是能让您获得成功。新技术和新方法总是层出不穷。就电容式触摸屏“>电容式触摸屏而言，使用集成微控制器可以实现您的目标，但付出的代价是什么呢？集成FLASH和RAM会推高功耗和资金成本。另外，使用触摸屏的系统通常都已经集成了某种嵌入式控制器，用于满足完成触摸计算或者复杂触摸识别的要求。实际上，研究今天的市场发展趋势就可以发现，应用处理器正在塑造其自有专用触摸引擎。为什么会出现这种情况呢？

　　原因是系统优化。为什么要使用冗余元件呢，因为这样可以：1)节省资金；2)减少对便携式设备充电的次数。换句话说，你可以与朋友拥有更长的通话时间，或者多看一部电影。因此，触摸屏控制器公司们开始纷纷跟进。它们研究特殊需求，开发出基于模拟前端(AFE)的投射电容式触摸屏”>电容式触摸屏控制器。

　　当开启使用嵌入式微控制器和使用数字状态机(或基于AFE的设计)的触摸IC时，会出现什么情况呢？

　　图3使用应用处理器(淡灰色)的平均功耗，对比使用嵌入式MCU(3a：深灰色)的触摸IC以及使用数字状态机(3b：红色)基于触摸IC的AFE工作模式的功耗

　　图3表明，应用处理器运行时两种方法都有噪声，但是，如果我们关闭应用处理器的结果如何呢？

　　这里是一个完全不同的情况。现在出现的是数量级的差异：<0.1mW vs<10mW。图4清楚地表明，相比基于AFE的设计(图4b)，在更长一段时间内，集成MCU触摸屏控制器(图4a)额外硬件的功耗更多。考虑到设备在90%时间里通常都处在上述状态下时，这种情况便更具意义。这种AFE型设计的低功耗创新可给系统添加诸如双击唤醒等新功能。

　　我们从功耗的角度，为您说明了只能使用基于AFE解决方案的合理性。您是否在想，如果没有MCU，你将更加依赖于应用处理器，这样会不会让其负担过大呢？下面让我们来看看，是否会出现这种情况。

　　应用处理器：

　　● ARM A9 双核。

　　● 1GHz。

　　● 总MIPS/功耗：

　　1000 MHz * (2.5 DMIPS/MHz) * 2 = 5000 DMIPS，功耗 ~0.6W。

　　具有较强竞争力的MCU集成触摸屏控制器。

　　● 规格：

　　Arm cortex M3。

　　60Mhz。

　　1.25DMIPS/MHz。

　　149 μW/MHz。

　　● 假设TSC CPU为100%负载

　　60MHz * 1.25 DMIPs/MHz = 75DMIPS。

　　60MHz * 149 μW/MHz = ~9mW + Flash + RAM。

　　● 在应用处理器运行所有触摸代码时所用资源

　　75 DMIPS / 5000 DMIPS = 1.5%。

　　0.6W * 1.5% = 9 mW。

　　在应用处理器上运行相同代码实际降低了Flash和RAM的功耗成本，并且仅消耗1.5%的处理器可用DMIPS。这看似十分合理且功耗更低，但我们假设100%的CPU负载在滤波和手势识别之间平等分配，并且顺利协调。由于基于AFE设计已经内置了滤波硬件，因此便不再需要这部分的CPU负载。现在，您便可以把负载和功耗降低一半！

　　● 运行手势识别/滤波时所用资源

　　32.5 DMIPS / 5000 DMIPS = 0.75%。

　　4.5 mW。

　　总结

　　我们讨论了基于AFE设计的诸多好处，但请注意，这种构架并非为一种万用灵药。与其它构架一样，它也存在一些不足。经验证，它确实可以降低功耗和成本，但由于闪存集成于嵌入式/应用处理器中，因此系统更新稍微有些复杂。对系统进行较大改动时，需要更新驱动器，并且通常要修改系统代码。因此，如果您使状态机过载，则所有原始数据“杀手锏算法”都需要安全措施—如果您不希望它们开源的话。每一种情况均不同，每一个设计人员都有其自己想要实现的价值以及需要考虑的事项。诸如TSC3060等基于AFE的电容式触摸屏“>电容式触摸屏控制器，是降低成本和延长电池使用时间的低功耗型设计的一种可行方法。

　　Eric Siegel 德州仪器(TI)触屏控制业务开发经理

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