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

 

 

一些應用除了簡單地開啟和關閉LED之外還需要更多視覺效果。舉例來說，筆記本電腦可在設備待機狀態(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，這也是設備中使用的眾多LED效果（淡入淡出或閃爍）之一。高級LED效果結合電容式觸摸按鍵能提高系統(tǒng)的美感并改善用戶體驗。

 

我們通常希望使用同一片上系統(tǒng)（SoC）來實現(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實現(xiàn)電容式感應和LED照明的不同方面，包括：

 

●我們將通過實際使用案例簡單介紹電容式感應型UI應用中所采用的不同LED照明技術。

 

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

 

●在同一SoC中整合實現(xiàn)多種特性肯定會充滿挑戰(zhàn)。要確保設計的高健碩性，就必須解決這些挑戰(zhàn)。我們將討論的常見挑戰(zhàn)包括：LED和電容式傳感器之間的串擾、驅(qū)動強度功能、導致電容式感應子系統(tǒng)內(nèi)部噪聲的LED負載瞬態(tài)以及避免方法。

 

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

 

 

高效的用戶界面設計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。當用戶按壓機械按鍵時，機械按鍵本身就具備觸覺反饋功能。然而電容式按鍵則不能提供這種觸覺反饋。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、音效、觸覺等。根據(jù)用戶界面設計，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實現(xiàn)視覺反饋是一種常見的選擇。我們在此將介紹一些不同類型的LED效果及其使用案例。

 

為了改進對用戶的視覺反饋或模仿機械開關，LED可在固件中采取多種不同的控制方式。一些常見的方法包括：

 

 

這是最簡單的LED效果類型，通常用來顯示觸摸狀態(tài)。LED位于傳感器導體片背后作為背光。當有觸摸時，此LED點亮為按鍵提供照明，沒有觸摸時LED就關閉。該應用實例為Samsung Galaxy S4等Android手機的菜單或后退按鍵。

 

 

電視機制造商通常為不同型號的電視提供標準的遙控器。遙控器上的某些按鍵可能不支持某些型號的電視機。在此情況下，如果觸摸的按鍵無效，可通過LED閃爍背光效果來發(fā)出提示，這是通過周期性開關LED來實現(xiàn)的。

 

 

設想一下，房間燈光用機械開關控制。按下一次開關，燈會打開。只要開關繼續(xù)保持這種狀態(tài)，燈就會一直開著。再按一次開關，燈就會熄滅。切換特性類似于這種機械切換開關。當觸摸電容式按鍵時，相應的LED燈會點亮。即便用戶手指離開按鍵，LED燈還會一直亮著。如果用戶再次觸摸按鍵，LED燈就會關閉。也就是說，在每個電容式傳感器狀態(tài)的上升沿，輸出狀態(tài)都會切換其狀態(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

 

 

通常對于電容式按鍵來說，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就會被隱藏起來。在此情況下，如果用戶手剛從按鍵上拿開LED燈就馬上關閉，那么用戶可能難以確定按鍵操作到底成功沒有。為此，我們可以讓LED在觸摸結束后保持“開啟”一小段時間，從而為用戶提供更好的視覺反饋。這種特性就叫LED開啟時間，如圖2所示。

 

通過改變LED燈的亮度能夠?qū)崿F(xiàn)許多高級效果。設想一下，一臺電視機的前面板可通過觸摸按鍵實現(xiàn)不同操作，包括調(diào)節(jié)音量等。下圖就是電視機面板的一個實例。

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，匹配邊角設計和美學效果要求。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點亮。如果觸摸到按鍵，LED亮度會提高。

 

PWM是LED亮度控制應用中的關鍵技術。通過改變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應于按鍵狀態(tài)和環(huán)境光條件。事實上，改變亮度正是呼吸、淡入淡出等高級效果的基礎所在。我們將在第二部分介紹PWM的設計參數(shù)和多種不同實現(xiàn)方案。

圖4：LED亮度控制

 

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

圖5：LED淡入淡出

 

 

我們在本文開始處通過筆記本電腦的電源鍵為例簡單介紹了一下呼吸效應。持續(xù)地逐漸提升或逐漸下降兩級之間的占空比能讓LED形成“呼吸”的效果，如圖6所示。待機模式下電源按鍵支持呼吸效應能告訴用戶電源按鍵是活動狀態(tài)并能進行操作。

圖6：LED呼吸

 

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