集成電容傳感和藍(lán)牙低功耗
在多個從設(shè)備需要與一個主設(shè)備進(jìn)行對話的無線通信應(yīng)用中,藍(lán)牙低功耗(BLE)協(xié)議已毫無疑問成為它們的理想選擇。與其它通信協(xié)議相比,BLE具備以下優(yōu)勢:
本文引用地址:http://2s4d.com/article/201606/292995.htm1. BLE擁有極高的行業(yè)普及率,具備多廠商互操作性。據(jù)藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟預(yù)測,到2018年,90%的智能手機(jī)將支持BLE。此外,BLE 在 PC、智能電視等其它主機(jī)設(shè)備中也擁有很高的普及率。
2. 公布的通信距離長達(dá)100m。
3. 超低的峰值、平均和空閑功耗讓大多數(shù)使用紐扣電池的BLE從設(shè)備能夠運(yùn)行數(shù)年。
4. 數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mbps。
這些優(yōu)勢讓BLE成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備、無線PC外設(shè)和遙控器等設(shè)備的最佳選擇。事實(shí)上,BLE的誕生激發(fā)了全球各地的創(chuàng)新者打造更多前所未有的應(yīng)用。
簡而言之,大多數(shù)BLE從設(shè)備能夠有效捕獲某種輸入,然后使用BLE將信息發(fā)送至客戶端(即PC或智能手機(jī))。因此,BlE從設(shè)備的主要功能包括 :
1. 捕獲輸入
2. 處理輸入
3. 使用BlE協(xié)議將處理后的輸入通過無線方式發(fā)送至客戶端。
按照捕獲輸入這項(xiàng)功能倆看,BLE設(shè)備可以劃分為兩個類型。
類型1:使用傳感器捕獲輸入的設(shè)備(即傳感器輸入設(shè)備,SID)。
類型2:捕獲人類用戶的輸入的設(shè)備(即人工輸入設(shè)備,HID)。
以一個心率監(jiān)測儀為例。該設(shè)備使用 傳感器捕獲人的心率。設(shè)備處理信息后,會將其發(fā)送至客戶端(PC或手機(jī)),其中用戶只需戴上該設(shè)備,不需要手動輸入任何信息。
再以一個使用BLE與PC進(jìn)行無線通信的無線鼠標(biāo)為例,其中輸入由用戶手動提供(采用點(diǎn)擊和滾動的形式)
那么,這里面臨的問題就是:這種區(qū)別是如何影響設(shè)備設(shè)計(jì)的呢?
人工輸入BLE設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)
為了捕獲人類用戶的輸入,我們可以使用按鍵、滑塊和/或滾輪。這種輸入既可以是機(jī)械輸入,也可以采用電容傳感技術(shù)。如果是前者,我們可以使用傳感器檢測用戶與機(jī)械組件的交互,或?qū)C(jī)械組件直接連接到控制器。輸入被捕獲后將由MCU進(jìn)行處理,然后通過BLE 協(xié)議棧傳送到客戶端。
市場上有無數(shù)設(shè)備將BLE協(xié)議棧與微控制器(MCU)集成在一起,從而讓開發(fā)人員能夠創(chuàng)建類似于傳感器輸入設(shè)備的單芯片系統(tǒng):
但是,使用機(jī)械組件會犧牲可靠性和人體工程學(xué)理念。比如按鍵容易磨損,從而縮短設(shè)備的使用壽命。鑒于這些局限性,很多行業(yè)正在使用電容傳感解決方案替代機(jī)械用戶接口。
采用電容傳感用戶輸入也會面臨其他的挑戰(zhàn)。比如很多架構(gòu)需要兩個芯片,一個用于實(shí)現(xiàn)電容傳感,另一個用于實(shí)現(xiàn)BLE,從而增加PCB的尺寸,從而增加制造總成本。另外還有電源管理問題,系統(tǒng)需要額外的時(shí)鐘來協(xié)調(diào)兩個芯片的待機(jī)時(shí)間。在幾乎所有應(yīng)用中,采用BLE的產(chǎn)品(遙控器、鼠標(biāo)等)都會使用電池供電。因此,延長電池壽命極為重要。
為了應(yīng)對上述場景,我們需要集成了電容傳感和BLE的單一芯片。
除了上述問題之外,設(shè)計(jì)人員還需要解決其它一些問題。其中需要重點(diǎn)考慮的問題是:弧形/厚覆面和射電輻射導(dǎo)致的觸摸傳感SNR(信噪比)的下降。 觸摸傳感SNR定義了設(shè)備區(qū)分預(yù)期輸入信號(本例中就是用戶的觸摸動作)和噪聲的能力。因此,SNR下降將增加設(shè)備區(qū)分實(shí)際觸摸動作和噪聲的失敗率,從而導(dǎo)致誤觸等現(xiàn)象。請想象一下,如果用戶正在觀看一場激動人心的足球比賽,但此時(shí)觸控遙控器的誤觸錯誤導(dǎo)致頻道不斷切換,用戶將有何反應(yīng)?
我們在這里有必要簡要回顧一下電容傳感技術(shù)的基礎(chǔ)知識,然后運(yùn)用這些知識了解誤觸的起源。
電容傳感器就是PBC上的一塊導(dǎo)體墊。傳感器和地層之間有一個稱為寄生電容(Cp)的電容。覆面位于傳感器上方。當(dāng)用戶觸摸電容按鍵時(shí),他實(shí)際上觸摸的是覆面的頂部,這將為傳感器增加一個手指電容(Cf)。
因此,
觸摸之前的傳感器電容 = Cp (基線)
觸摸時(shí)的傳感器電容 = Cp+ Cf(并聯(lián)電容器)
一個MCU定期掃錨傳感器,檢測其電容變化(即從Cp到Cp+Cf的變化)。掃描周期由掃描速率決定。
電容的計(jì)算公式是:
C = E* (A/d)
(C =Capacitance電容, E= Permittivity電容率, A=Area面積, d= distance between electrodes電極間距)
因此,對于Cf而言,“d”是覆面厚度。厚度增加(即覆面更厚)時(shí),Cf將降低。
MCU在掃描電容變化時(shí),它還需要 確定變化是由實(shí)際觸摸動作導(dǎo)致的,還是由噪聲導(dǎo)致的。當(dāng)Cf較低時(shí),某些噪聲信號有可能擁有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度,因此,MCU可能難以區(qū)分真實(shí)信號和噪聲,從而導(dǎo)致誤觸。
對于弧形覆面(比如說觸控鼠標(biāo))而言,Cf因傳感器和覆面之間的空隙(降低電容率)而下降,也會導(dǎo)致上述問題。
對于BLE 從設(shè)備而言,影響觸摸傳感精度的第三個因素是藍(lán)牙無線信號引入的“噪聲”。
綜上所述,我們就知道了信號減弱、噪聲增強(qiáng)的原因。通常而言,MCU使用信噪比區(qū)分信號和噪聲,如果兩者的強(qiáng)度相當(dāng),設(shè)計(jì)一款可靠的產(chǎn)品將會更加復(fù)雜。
有很多方法可以解決這些問題, 但很多傳統(tǒng)方法會增加BOM成本(因?yàn)樾枰~外的組件)、設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本(比如更多的工時(shí))。此外,由于存在這些挑戰(zhàn),設(shè)計(jì)過程中可能會發(fā)生多次迭代,從而進(jìn)一步推升成本,推遲最終產(chǎn)品的上市時(shí)間。
設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)BLE從設(shè)備時(shí)還面臨另外一些挑戰(zhàn),這些問題與BLE協(xié)議棧有關(guān),在HID和非HID設(shè)備都會出現(xiàn)。其中一個戰(zhàn)術(shù)性挑戰(zhàn)是需要使用多個工具來開發(fā)、編程和測試BLE應(yīng)用。此外,理解藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的BLE規(guī)范本身也是一個 繁瑣的過程。為了開發(fā)固件,設(shè)計(jì)人員必需深入理解這個規(guī)范。此外,該規(guī)范會定期更新,因此需要持續(xù)開發(fā)。不遵從這些更新將會導(dǎo)致設(shè)備落伍,降低其互操作性。為了“通過無線方式”支持這些更新,設(shè)備還需要配備額外的存儲器。增加外設(shè)存儲器時(shí),其通常連接至MCU;因此,需要通過MCU讀取該存儲器,這將增加功耗,并可能導(dǎo)致處理器因更新而阻塞。
BLE無線輸出需要使用一個額外的BALUN(Balanced to Unbalanced)網(wǎng)絡(luò)將輸出阻抗調(diào)節(jié)至標(biāo)準(zhǔn)的50 Ohms。一些BLE MCU/SoC內(nèi)置了BALUN,但另一些則沒有。如果沒有內(nèi)置BALUN,則必需使用外置電感器和電容器搭建一個。這需要使用9個外置組件,從而極大增加了調(diào)節(jié)通信匹配網(wǎng)絡(luò)(AMN)的復(fù)雜性。
幸運(yùn)的是,通過選擇適當(dāng)?shù)男酒?,上述很多挑?zhàn)均能在設(shè)計(jì)初期得到克服。
為您的BLE HID產(chǎn)品選擇適當(dāng)?shù)男酒?/p>
選擇芯片時(shí)應(yīng)牢記最終目標(biāo):即一個需要最少的組件、能夠提供高性能、消耗最少電能的簡單設(shè)計(jì)。好消息是市場上有很多芯片組可供選擇。這些芯片具有不同的價(jià)值定位。詳情請參閱http://www.argenox.com/bluetooth-low-energy-ble-v4-0-development/library/a-guide-to-selecting-a-bluetooth-chipset/。
但是,同時(shí)支持電容傳感和BLE的單芯片架構(gòu)在市場上并不多見。賽普拉斯的PRoC BLE采用了其被市場廣泛接受的CapSense技術(shù),并且保留了CapSense的所有USP。CapSense和BLE子系統(tǒng)讓PRoC BLE成為了HID BLE產(chǎn)品的一個整體解決方案。除了集成核心功能之外,PRoC BLE還解決了以下設(shè)計(jì)問題:
1. 足量的嵌入式閃存(最大128KB)和SRAM(最大16KB)以便通過無線方式更新BLE規(guī)范。 PRoC BLE還具備DMA(直接內(nèi)存存取)功能,有助于在無需CPU的干涉下直接存取內(nèi)存。
2. 靈活的低功耗模式有助于設(shè)備大幅降低功耗。
3. 使用配備BLE組件的PSoC Creator簡化設(shè)計(jì)。隨時(shí)可用的內(nèi)置BLE協(xié)議??勺屧O(shè)計(jì)人員利用BLE,而且無需掌握BLE 規(guī)范,從而簡化設(shè)計(jì)。此外,PRoC BLE內(nèi)置對藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟所采用的協(xié)議和服務(wù)的支持,并提供有助于創(chuàng)建定制協(xié)議和服務(wù)的功能。
詳情請參閱:http://www.cypress.com/products/proc-ble-bluetooth-smart
若想初步了解PRoC BLE:
1. 下載PSoC Creator IDE:www.cypress.com/creator
2. 根據(jù)您的應(yīng)用購買一個工具包。對于觸控鼠標(biāo)、遙控器等常見應(yīng)用,我們提供RDK。對于其它應(yīng)用,我們提供標(biāo)準(zhǔn)的工具包和模塊。
3. 另請參閱以下應(yīng)用說明: http://www.cypress.com/file/140661/download
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