來源：英飛凌官方微信

觸控感應 HMI 的設計：消費者需求與市場壓力

可穿戴式設備的觸控感應人機介面（HMI）是吸引消費者的一大要素，它透過耳塞式耳機和智能眼鏡等裝置的觸控式按鍵和觸控式滾動條，或透過智能手錶的小型觸控螢幕，提供了一種響應靈敏、一目了然的互動方式。

隨著穿戴式裝置的市場競爭不斷推動創新，製造商在消費者特別關注的兩大功能上爭奇鬥艷：

• 電池續航力（“充電週期”）
• 外形尺寸：製造商必須在舒適性、便利性、功能豐富性（例如：感測器）與具有吸引力的時尚設計需求之間取得平衡

這種市場壓力也影響著觸摸 HMI 的設計決策：對於每一代穿戴式產品，製造商都希望從以下方面對觸控系統做出顯著改進：

• 平均耗電量：電池節能
• 設備的機械設計和外形尺寸：旨在改進觸控感應器的功能和特性，同時縮小產品的尺寸，減輕產品的重量
• 耐液性：在雨水和汗水等條件下保持性能穩定

當然！ 這些改進絕不能影響設備的使用者體驗。

為了幫助製造商實現這兩個目標，英飛凌推出了一款新型觸控感應控制器 —— PSoC™ 4000T，它適用於任何類型的可穿戴式設備以及小型物聯網設備。 基於英飛凌全新第五代 CAPSENSE™ 電容感應技術，PSoC™ 4000T 的平均功耗較上一代 PSoC™ 降低至 1/10。 同時，設計人員能夠縮小觸控感應器的尺寸。 由於第五代 CAPSENSE™ 訊噪比是上一代的 10 倍，設計人員能夠在尺寸更小的觸控感應元件周圍，更密集地佈置器件，而不影響效能。

同時，全新的多模態感應功能使得一個感應器能夠執行多個感應功能 —— 不僅包括觸控式按鍵和觸控式捲軸，還包括力量感應、接近感應，甚至觸控螢幕感應。 觸控技術的改進實現了強大的防水性能，使其在液體（例如：雨水或汗水）環境中，也可提供優異的觸控感應器性能。

本白皮書介紹了英飛凌在工程上的突破，並實現了這些顯著改進。

可穿戴設備：觸控 HMI 設計團隊面臨的主要挑戰

在市場需求下，可穿戴設備觸摸HMI的設計人員需要在降低功耗和縮小尺寸的同時，增加觸控感測器功能，並保持優異的使用者體驗——即使在液體環境中也是如此。

接下來，我們來看看影響這些挑戰的因素有哪些！

圖 1 在觸控檢測模式下，降低刷新率，可降低平均功耗。

1.功率挑戰

1.1 為什麼要始終開啟觸控感應功能，會耗盡電池電量

雖然智能手錶等穿戴式裝置的大多數其他功能都可以在使用者的兩次活動之間，保持長時間的關閉，但觸控感應 HMI 卻被要求始終保持開啟。 這是因為使用者的觸控互動是隨機的，無規律可循，無法預知使用者何時會觸發功能。 因此，它必須在設備開機期間全程持續掃描，使得 HMI 子系統會持續耗電。 在低功耗模式（持續掃描）和啟動模式（觸控子系統在短時間內消耗更多電能）下，始終保持開啟狀態的觸控 HMI 都是一個重要的功耗因素，因此總體而言是一個功耗大戶。 可見，只要降低觸控系統的功耗，就可以有效延長充電週期。

1.2 探索觸控感應控制器的操作與架構

通常而言，觸控 HMI 是喚醒可穿戴設備最常用的方法。 為了節約用電，設備通常具備低功耗觸摸檢測功能，即在設備深度睡眠模式下工作：在這個模式下，設備以僅夠檢測任何觸摸事件的低刷新率進行掃描。 在這種模式下，使用者可能需要按住一會（可依使用者場景配置）按鍵，才能喚醒系統。

檢測到觸控時，HMI 會喚醒設備，同時切換到啟動模式，以更快的更新率運行，並支援設備的所有觸控感應功能。

圖 2 英飛凌 PSoC™ 4000 系列觸控控制器的框圖

上述內容解釋了優化功耗的舊方法，其節能程度很大程度上取決於感測器的刷新速度，因此，始終需要在功耗和快速響應用戶觸控之間加以權衡。 此外，由於受到架構的限制，現在的觸控 HMI 系統耗電量很大。 為了了解其原因，我們有必要研究一下觸控感測器的掃描過程。目前絕大多數觸控感應控制器都採用與微控制器類似的架構：圖 2 所示的英飛凌 PSoC™ 4000 系列觸控控制器框圖就提供了一個典型的範例。 其架構包括：

• CPU：受到非揮發性和揮發性記憶體支持
• 模擬前端（AFE）：連接觸控感應元件和其他感測器
• 數位邏輯功能
• I/O

在大多數觸控控制器中（但我們可以看到，PSoC™ 4000T 並非如此），掃描操作始終需要 CPU 的運行，來初始化觸控感應系統、配置感應元件、掃描感測器，並處理結果，以確定是否發生 觸摸事件。

令人遺憾的是，CPU 及其相關記憶體也是耗電大戶。

因此，「低功耗」觸控偵測功能確實比啟動模式觸控感應的平均功耗更低 － 由於降低刷新率，每秒掃描次數更少（參見圖 2）。 但由於牽扯到 CPU，在觸控偵測模式和啟動模式下，每次掃描都會消耗大量電力。

2.尺寸挑戰

2.1 感測器尺寸的權衡：以響應能力和準確性為代價

觸控感應元件或按鍵的靈敏度與其面積成正比。 這意味著透過增加觸控感應器的大小，可以提高觸控 HMI 的反應準確性。 增強靈敏度還可以提高訊號訊噪比（SNR），從而更好地避免噪音或乾擾造成誤觸事件。 其中，噪音源可能包括智能手錶的顯示器、藍牙® 或其他無線電天線產生的射頻輻射。 干擾也可能由設備表面的水、汗水或其他液體產生。 高靈敏度和抗液體幹擾的能力（也稱為防水性能）對使用者體驗影響很大。 然而，透過增加觸控感測器的大小，來提高靈敏度，將減少設備製造商優化設備機械設計的自由度。

設備製造商還尋求透過增添新的觸控感應器功能，進一步改善用戶體驗，來獲取競爭優勢：這些功能包括力量感應和接近感應等 —— 例如：在檢測到有手指靠近，但尚未觸摸時喚醒設備。 某些裝置還要求觸控感應器支援觸控式按鍵、觸控式捲軸和觸控螢幕功能。

設備製造商面臨的挑戰是，在不增加設備整體尺寸的情況下，提供這些豐富的功能，同時實現高靈敏度和高耐液性。

一個整合了所有這些功能的觸控控制器可為此提供解決方案。

2.2 第五代 CAPSENSE™ 技術：不畏功率與尺寸挑戰的解決方案

自 2002 年首發以來，支撐英飛凌觸控感應控制器運作的 CAPSENSE™ 技術，一直是效能和可用性的基準。 第四代 CAPSENSE™ 技術於 2017 年首次應用於 PSoC™ 觸控控制器，帶來了多項創新，首次實現了電感應功能。

2022 年，隨著最新的第 5 代產品問世，帶來了一項重大的架構創新：比率感測架構。

用於穿戴式裝置的新型 PSoC™ 4000T 觸控感應控制器中還有另一項 CAPSENSE™ 創新：超低功耗且始終開啟的感應（MSCLP）和多模式感應技術。

它將自電容感應、互電容感應和電感應等多種觸控感應方法整合到了一個晶片中，從而支援使用單晶片進行觸控感應、力量感應和接近感應。 MSCLP 也支援所謂的超低功耗且始終開啟的感應功能，使 PSoC™ 4000T 微控制器可以在深度睡眠狀態下執行觸控感應，以優化功耗。

這些創新凝聚在一起，為可穿戴設備製造商面臨的功耗與尺寸挑戰提供了解決方案。

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