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突破中断延迟限制 电容式触控加速取代机械按键

发布时间:2012-05-26 08:55:00宝威科技浏览:

  大多数的设计只须经过微幅修改,就能以创新酷炫的电容式触控感测技术,取代传统机械式按键。由于电容式触控控制器是利用中断来模拟机械式键盘的扫描介面,因此开发人员应选用中断延迟时间短的触控控制器,以免影响产品效能。 
  
  机械式按键与薄膜开关,已渐被创新酷炫的电容式触控感测技术所取代,后者使用容易且更强固耐用,大多数设计只须经过微幅修改,就能加入电容式触控按键,研发业者善加运用即可派上用场。

  现今市面上有许多简单且容易使用的电容式触控设计,可直接利用触控感测器来取代按键。感测器侦测到手指存在时,就会把输出接脚切换至高或低位状态,以模拟机械式按钮的启动与关闭状态。然而此种取代方案具有限制,许多特殊种类的机械式使用者介面,无法在输入和输出模式1:1下运作,当中包括机械式键盘;机械式键盘介面虽然结构简单,但要取代的不光只是一个个按钮。本文探讨各种利用电容式触控感测器来取代机械式键盘的方法,使电容式触控设计的取代过程更有效率。

  机械式键盘底层基础结构

  传统机械式键盘把许多按钮排成数行与数列的方阵,系统藉由驱动列数或行数(扫描线),以及检查其他线路(读取线)来侦测任何持续动作(按压),即可发现按压的行为,这种设计概念可分成两类,其一为轮询式(Polling-Based),其次则是中断式(Interrupt-Based)。

  轮询式机械式键盘

  独立式按键扫描控制器,通常会使用持续轮询扫描线,并检查读取线是否有任何持续按压动作。读取线通常会透过一个暂存器,拉升至电源(Vcc)或逻辑状态「1」,系统会一次轮询一条扫描线,轮询后将线路切换至「0」状态,其他线路则维持为「1」的逻辑状态。每当一个按钮被按压时,扫描至读取线就会短路,扫描线的「0」会传送到读取线,代表一个按钮按压,如图1所示。当侦测到按压时,控制器会透过I2C或串列周边介面(SPI)等通讯介面,把事件通报给主控端(Host),而不是让主控端自己执行按键扫描作业,因此对于单晶片系统而言,可说是缺乏效率且又不实用。

 

图1 机械式键盘工作模式 


  中断式机械式键盘

  这种方法通常用在主控端和Master自己扫描按键的系统,所有扫描线都有接地,而读取线则拉升至Vcc。当按钮被按压后,扫描线的「0」就会透过实体短路(按键按压)传送到读取线。读取线在读到「0」时,会触发一个中断,主控端此时会轮询扫描线,找出被按压的按键,主控端不必持续对扫描线进行轮询,因此能改善中央处理器(CPU)的使用频宽。 
  
  电容感测器取代机械键盘

  如前述,系统会轮流查询扫描线,找出被按压的按钮,无论是持续查询或发生中断时才查询,这构成取代方法基础。多数电容式触控控制器都属于微控制器元件,不只有电容感测功能,更负责执行取代和模拟的工作。

  一个4×4矩阵键盘的典型波形如图2所示,在任何时刻都有扫描线逐一被推至GND接地端,数量不会超过处于逻辑「0」状态的扫描线。同时有多条扫描线处于逻辑「0」状态,会减低侦测出被按压按钮的精确度。

图2 4×4矩阵键盘的典型扫描线波形 


  电容感测控制器必须扮演一个机械式键盘角色,并让主控端认为它就是机械键盘,主控端的输出线(扫描线)必须变为输入瑞,而主控端的输入线(读取线)则会成为电容感测控制器的输出端。根据扫描线状态及被触碰的按钮的状态,系统须视情况由控制器来更新读取线。

  以一个有十二个按钮(图3)的产品为例,按钮必须排成3×4的矩阵,其中3是扫描线数量,4则是读取线的数量,操作步骤首先是先启动扫描线上的中断,再把中断设定成边缘触发(在两端)。在三条扫描线中,启动一个「3」位元组阵列,由于需要四条读取线(每条分配一个位元),因此选择BYTE位元组;若是超过八条读取线,则使用WORD字元组。任何利用电容感测演算法的手指触控系统,须读取十二个按钮,并利用相对应的数值来更新位元组阵列;此时须注意的是,读取线应是Active Low状态,因为每当按钮被按压,扫描线上的一个「0」就会传送至读取线,在预设状态下,读取线会拉升至Vcc。所有扫描线中断都无须启动,只有当扫描线上通报有一个按钮按压事件,中断才会启动,不然应处于关闭状态,这样的设计有助于在电容式触控控制器中降低处理器的负荷。在扫描线中断时,读取这些线并视状况更新读取线(图3)。

 

图3 键盘模拟实作 


  上述的方法能协助取代轮询式键盘扫描,同样的逻辑经过些许调整就能取代中断式键盘;当按下按钮时,储存在读取线的所有数值都会经过AND逻辑处理,并透过读取线传送到主控端,当主控端感测到讯号并开始扫描时,就会接着进行上述的后续步骤。

  电容式触控取代方案的限制

  过程中会面临到的限制是,电容式触控控制器利用中断来模拟机械式键盘的扫描介面,因此会产生额外的延迟,中断延迟加上处理中断内的读取线。尽管延迟时间很短,实体的短路仅发生一瞬间(通常仅数奈秒),对实体按钮而言仍为一项限制;在取代系统中,延迟可能长达数微秒,然而实际时间端视选用的控制器而定。

  值得注意的是,主控端不必费心去消除按钮的开关弹跳(Debounce),因为透过先修改主控端的韧体,触控控制器可在报告按钮为ON状态之前,就完成这项作业,此功能也能节省主控端的处理时间(图4)。

 图4 利用扫描线分析方法,在扫描线连结介面下可达到的最小波形。



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