| 電容式觸摸感應(yīng)是一項(xiàng)用于在智能手機(jī)、平板電腦、液晶和LED電視等各種電子應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)直觀用戶界面（UI）的流行技術(shù)。觸摸按鍵正在快速取代傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵。不過，與本身提供用戶觸覺反饋的機(jī)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(shí)現(xiàn)視覺反饋，并為基于觸摸的UI提供背光照明。
一些應(yīng)用除了簡(jiǎn)單地開啟和關(guān)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(shè)備待機(jī)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(yīng)，這也是設(shè)備中使用的眾多LED效果（淡入淡出或閃爍）之一。高級(jí)LED效果結(jié)合電容式觸摸按鍵能提高系統(tǒng)的美感并改善用戶體驗(yàn)。
我們通常希望使用同一片上系統(tǒng)（SoC）來實(shí)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(shí)現(xiàn)電容式感應(yīng)和LED照明的不同方面，包括：
●我們將通過實(shí)際使用案例簡(jiǎn)單介紹電容式感應(yīng)型UI應(yīng)用中所采用的不同LED照明技術(shù)。
●脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）是實(shí)現(xiàn)LED效果的常見技術(shù)之一。我們將分析采用PWM技術(shù)的不同LED效果實(shí)現(xiàn)方案，從而探討如何選擇適當(dāng)?shù)腟oC。
●在同一SoC中整合實(shí)現(xiàn)多種特性肯定會(huì)充滿挑戰(zhàn)。要確保設(shè)計(jì)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?dāng)_、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度功能、導(dǎo)致電容式感應(yīng)子系統(tǒng)內(nèi)部噪聲的LED負(fù)載瞬態(tài)以及避免方法。
●功耗優(yōu)化對(duì)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(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)考慮因素。
LED效果
高效的用戶界面設(shè)計(jì)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(dāng)用戶按壓機(jī)械按鍵時(shí)，機(jī)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(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)視覺反饋是一種常見的選擇。我們?cè)诖藢⒔榻B一些不同類型的LED效果及其使用案例。
傳感器狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的LED控制
為了改進(jìn)對(duì)用戶的視覺反饋或模仿機(jī)械開關(guān)，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：
1.LED開關(guān)
這是最簡(jiǎn)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(dǎo)體片背后作為背光。當(dāng)有觸摸時(shí)，此LED點(diǎn)亮為按鍵提供照明，沒有觸摸時(shí)LED就關(guān)閉。該應(yīng)用實(shí)例為Samsung Galaxy S4等Android手機(jī)的菜單或后退按鍵。
2.閃爍
電視機(jī)制造商通常為不同型號(hào)的電視提供標(biāo)準(zhǔn)的遙控器。遙控器上的某些按鍵可能不支持某些型號(hào)的電視機(jī)。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(guān)LED來實(shí)現(xiàn)的。
3.切換
設(shè)想一下，房間燈光用機(jī)械開關(guān)控制。按下一次開關(guān)，燈會(huì)打開。只要開關(guān)繼續(xù)保持這種狀態(tài)，燈就會(huì)一直開著。再按一次開關(guān)，燈就會(huì)熄滅。切換特性類似于這種機(jī)械切換開關(guān)。當(dāng)觸摸電容式按鍵時(shí)，相應(yīng)的LED燈會(huì)點(diǎn)亮。即便用戶手指離開按鍵，LED燈還會(huì)一直亮著。如果用戶再次觸摸按鍵，LED燈就會(huì)關(guān)閉。也就是說，在每個(gè)電容式傳感器狀態(tài)的上升沿，輸出狀態(tài)都會(huì)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
4.LED開啟時(shí)間
通常對(duì)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(huì)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(guān)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(jié)束后保持“開啟”一小段時(shí)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(shí)間，如圖2所示。
圖2：LED開啟時(shí)間
高級(jí)LED效果
通過改變LED燈的亮度能夠?qū)崿F(xiàn)許多高級(jí)效果。設(shè)想一下，一臺(tái)電視機(jī)的前面板可通過觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)不同操作，包括調(diào)節(jié)音量等。下圖就是電視機(jī)面板的一個(gè)實(shí)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(shè)計(jì)和美學(xué)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(diǎn)亮。如果觸摸到按鍵，LED亮度會(huì)提高。
PWM是LED亮度控制應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。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(duì)應(yīng)于按鍵狀態(tài)和環(huán)境光條件。事實(shí)上，改變亮度正是呼吸、淡入淡出等高級(jí)效果的基礎(chǔ)所在。我們將在第二部分介紹PWM的設(shè)計(jì)參數(shù)和多種不同實(shí)現(xiàn)方案。
圖4：LED亮度控制
1.LED淡入淡出
淡入淡出就是讓亮度逐級(jí)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(shí)現(xiàn)淡入淡出效果（見下圖）。
圖5：LED淡入淡出
2.LED呼吸
我們?cè)诒疚拈_始處通過筆記本電腦的電源鍵為例簡(jiǎn)單介紹了一下呼吸效應(yīng)。持續(xù)地逐漸提升或逐漸下降兩級(jí)之間的占空比能讓LED形成“呼吸”的效果，如圖6所示。待機(jī)模式下電源按鍵支持呼吸效應(yīng)能告訴用戶電源按鍵是活動(dòng)狀態(tài)并能進(jìn)行操作。
圖6：LED呼吸
一些廠商已經(jīng)推出了用單芯片實(shí)現(xiàn)上述高級(jí)LED效果和電容式感應(yīng)的可配置型器件，比方說賽普拉斯的CY8CMBR2110和CapSense MBR3。
我們?cè)诒静糠种型ㄟ^實(shí)際使用案例介紹了電容式感應(yīng)型UI應(yīng)用中所采用的不同LED照明技術(shù)。在第二部分中，我們將介紹實(shí)現(xiàn)PWM的不同方法。
下面我們將了解一下實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制（PWM，面向LED控制應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)）的各種不同方法。
PWM有兩大屬性：
頻率：用PWM信號(hào)快速開關(guān)LED，由于開關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生LED閃爍，因此PWM頻率應(yīng)大于100 Hz，確保人眼不會(huì)感覺到閃爍。
占空比：PWM通過改變占空比、保持負(fù)載電流恒定以控制LED的亮度。LED的平均電流取決于占空比。平均電流會(huì)隨占空比的提升而升高，進(jìn)而提高亮度。占空比在0%和100%之間的步長(zhǎng)數(shù)量應(yīng)滿足應(yīng)用中需要調(diào)節(jié)的不同亮度級(jí)數(shù)量要求。舉例來說，如果應(yīng)用在完全關(guān)閉（0%）到完全開啟（100%）之間需要20個(gè)亮度級(jí)，那么就應(yīng)支持5%的步長(zhǎng)（除完全關(guān)閉之外包含20個(gè)步長(zhǎng)）。
用微控制器實(shí)現(xiàn)PWM有兩種方法。我們可用簡(jiǎn)單的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在固件中實(shí)現(xiàn)整個(gè)PWM邏輯，也可以選擇集成硬件PWM功能的高級(jí)控制器來實(shí)現(xiàn)。
基于固件的PWM實(shí)現(xiàn)方案
簡(jiǎn)單的固件實(shí)現(xiàn)方案需要定時(shí)器和中斷服務(wù)子程序（ISR）。定時(shí)器在與占空比每個(gè)步長(zhǎng)大小的相同時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造中斷。舉例來說，如果PWM周期為10ms（100Hz）而步長(zhǎng)大小為1ms（10%的占空比），那么定時(shí)器就要每1ms對(duì)CPU發(fā)出中斷，即：定時(shí)器周期 = 脈沖寬度/步長(zhǎng)大小。
圖1給出了ISR中的邏輯。PULSE_WIDTH和ON_TIME代表PWM步長(zhǎng)數(shù)量的脈沖寬度和開啟時(shí)間。舉例來說，PULSE_WIDTH = 5即滿足5個(gè)亮度級(jí)的要求，而ON_TIME = 2則滿足40%的占空比要求。ISR變量isrVar控制輸出何時(shí)切換開/關(guān)。該邏輯可方便地進(jìn)行擴(kuò)展，從而支持多個(gè)LED引腳，而每個(gè)LED都有不同的占空比。
圖1：固件PWM ISR邏輯
基于硬件的PWM實(shí)現(xiàn)方案
高級(jí)控制器有驅(qū)動(dòng)PWM的專用硬件塊。舉例來說，賽普拉斯的PSoC4有一個(gè)TCPWM硬件塊，能實(shí)現(xiàn)基于硬件的PWM驅(qū)動(dòng)。通常說來，我們用帶有比較功能的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)它，邏輯類似于上面討論的固件邏輯。定時(shí)器將采用比較寄存器和周期寄存器。周期寄存器載入的值等于脈沖寬度，而比較寄存器載入的值等于開啟時(shí)間。只要比較值大于tick值，定時(shí)器輸出就會(huì)走高，反之就會(huì)走低。此外，tick值達(dá)到最大（16位定時(shí)器為65535）時(shí)，會(huì)自動(dòng)回滾為零。當(dāng)輸出布線到端口引腳，從而能用硬件塊直接驅(qū)動(dòng)LED。
表1總結(jié)了基于固件和基于硬件的PWM實(shí)現(xiàn)方案之間的差別。
表1：基于固件和基于硬件的PWM實(shí)現(xiàn)方案
我們?cè)诒静糠址治隽藢?shí)現(xiàn)PWM的不同方法。在第三部分中，我們將探討設(shè)計(jì)具有電容式感應(yīng)和LED照明的系統(tǒng)時(shí)所遇到的常見挑戰(zhàn)，以及應(yīng)對(duì)方法。
我們?cè)诘诙糠种薪榻B了PWM（脈沖寬度調(diào)制）的不用實(shí)現(xiàn)方法。在第三部分中，我們將探討設(shè)計(jì)具有電容式感應(yīng)和LED照明的系統(tǒng)時(shí)所遇到的常見挑戰(zhàn)，以及應(yīng)對(duì)方法。
布局設(shè)計(jì)
本節(jié)我們將討論在設(shè)計(jì)具有電容式傳感器和開關(guān)線路（例如LED、通信）的系統(tǒng)時(shí)所需遵循的重要布局設(shè)計(jì)規(guī)則。開關(guān)跡線與電容式傳感器跡線并行布置會(huì)使感應(yīng)系統(tǒng)的開關(guān)噪聲結(jié)合在一起。由于我們?cè)噲D以毫微微法拉級(jí)（fF）的分辨率測(cè)量電容，因此感應(yīng)模塊對(duì)串?dāng)_噪聲就會(huì)很敏感。只要傳感器跡線具有固定參考（例如并行的地線），感應(yīng)系統(tǒng)就會(huì)具有恒定電容，但是，開關(guān)跡線會(huì)在接地與高阻抗或VDD間快速切換，從而改變參考值，進(jìn)而導(dǎo)致電容變化。因此，在布線時(shí)應(yīng)遵循的方法是決不能讓開關(guān)跡線與感應(yīng)跡線并行放置。圖1給出了推薦的布局布線圖。
圖1：推薦的布線圖
我們應(yīng)該可以并行布置多條傳感器跡線以防止進(jìn)一步增加布線復(fù)雜性。讓我們看一看并行布置兩條傳感器線路時(shí)會(huì)出現(xiàn)的問題。假設(shè)當(dāng)掃描一條線路時(shí)，另一條線路為浮動(dòng)狀態(tài)。那么觸摸浮動(dòng)線路將導(dǎo)致與另一條線路間的電容變化。解決這個(gè)問題的辦法是將所有未被掃描的傳感器引腳接地。之所以能這樣做是因?yàn)榭刂破魍ǔ＞哂锌啥嗦窂?fù)用傳感器引腳的電容式傳感模塊。但是，如果器件支持對(duì)多條線路同時(shí)掃描，那么需要同時(shí)掃描的引腳不應(yīng)并行布線。例如，賽普拉斯的PsoC器件 支持雙通道同時(shí)掃描。
設(shè)計(jì)原理圖時(shí)將開關(guān)引腳與感應(yīng)引腳的隔離（見圖2）有助于在布局過程中避免并行布線。我們注意到在固件實(shí)現(xiàn)方案中可為PWM驅(qū)動(dòng)選擇任意引腳，這種優(yōu)勢(shì)能實(shí)現(xiàn)更方便的引腳分配。
圖2：傳感器與開關(guān)線路的隔離引腳分配
考慮到電子系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜，可能不一定總能完全避免并行布線。這種情況下可以采用一個(gè)電容器來降低LED線路的轉(zhuǎn)換率，進(jìn)而減少串?dāng)_，如圖3所示。電容器的取值通常是0.1μF。
圖3：串?dāng)_解決方案
驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度
務(wù)必要選擇可滿足應(yīng)用中電流驅(qū)動(dòng)要求的控制器，以減少BOM成本。端口引腳通常具有較高的吸入電流能力和較低的輸出電流能力。應(yīng)把需要高電流的LED連接在吸入結(jié)構(gòu)中。這些引腳的驅(qū)動(dòng)模式應(yīng)該能夠在開漏模式下進(jìn)行配置。這樣，寫入0可將引腳驅(qū)動(dòng)到高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而關(guān)閉LED；寫入1可將引腳驅(qū)動(dòng)至低阻抗?fàn)顟B(tài)，從而打開LED。當(dāng)與電容式感應(yīng)相結(jié)合時(shí)，電流的吸入可能產(chǎn)生一個(gè)不良效果，會(huì)限制器件所能吸入的最大電流。我們將在第4部分具體介紹這個(gè)問題。
如果LED連接在多路復(fù)用結(jié)構(gòu)中，那么輸出能力就比較重要。需要更高驅(qū)動(dòng)電流的應(yīng)用必須使用外部MOSFET開關(guān)來驅(qū)動(dòng)LED。
負(fù)載瞬變?cè)肼?
可以執(zhí)行電容式感應(yīng)并驅(qū)動(dòng)LED的SoC屬于混合信號(hào)IC，具有模擬和數(shù)字模塊。模擬和數(shù)字電路必須盡可能地進(jìn)行分離，以防止數(shù)字噪聲降低電容式感應(yīng)系統(tǒng)的性能。常見的挑戰(zhàn)在于，當(dāng)在吸入模式下連接LED的輸出引腳并在邏輯高電平與邏輯低電平之間切換時(shí)，感應(yīng)系統(tǒng)會(huì)拾取接地噪聲。
為減少引腳數(shù)量，有些混合信號(hào)IC將芯片的模擬接地導(dǎo)體片和數(shù)字接地導(dǎo)體片共同連接到封裝的共用接地引腳上。該接合線電阻通常是幾十毫歐姆。圖4給出了這種引腳分配方式。
圖4：地端結(jié)合原理圖
現(xiàn)在考慮LED被配置為吸入模式的情況。輸出引腳將LED電流吸入到IC地端，同時(shí)驅(qū)動(dòng)至低阻抗并打開LED。吸入的電流因接線的電阻產(chǎn)生IR壓降，并改變相對(duì)于電路板地端的IC接地電勢(shì)。盡管偏移量?jī)H為幾毫伏，但感應(yīng)系統(tǒng)非常敏感，它需要在fF精度范圍內(nèi)測(cè)量電容。這對(duì)接地偏移比較敏感的感應(yīng)方法來說是個(gè)問題。
當(dāng)多個(gè)輸出引腳同時(shí)吸入電流時(shí)，這個(gè)問題會(huì)變嚴(yán)重。這會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)于一個(gè)手指觸摸的傳感器原始計(jì)數(shù)有高偏移量，從而引起誤觸發(fā)。圖5給出了由LED切換引起的原始計(jì)數(shù)偏移。
圖5：LED電流吸入引起的原始計(jì)數(shù)偏移
克服這個(gè)問題的一些常見技術(shù)包括：
1. 如果IC的模擬和數(shù)字接地接出到不同的引腳，應(yīng)使它們分開，并在電源端將它們短路。
2. 依照正確的布局原則減小電路板接地與IC接地之間的電阻，以減小寄生的IR壓降。
3. 減小連接LED的輸出引腳上的吸入電流，以減小寄生的IR壓降。
4. 在原理圖設(shè)計(jì)過程中一定要進(jìn)行引腳分配，以便將LED分配給遠(yuǎn)離IC接地引腳的引腳，并將傳感器分配給距接地引腳最近的引腳。這樣就能把寄生的IR壓降降到最小。
在這個(gè)部分中，我們探討了如何應(yīng)對(duì)具有電容式感應(yīng)和LED照明的系統(tǒng)的常見設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在第4部分，我們將介紹針對(duì)此類應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)考慮因素。
在第三部分中，我們探討了如何應(yīng)對(duì)具有電容式感應(yīng)和LED照明的系統(tǒng)的常見設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)�，F(xiàn)在我們來介紹針對(duì)此類應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)考慮因素。
低功耗設(shè)計(jì)考慮因素
為了優(yōu)化功耗，電容式傳感器通常以掃描-休眠-掃描-休眠的重復(fù)程序進(jìn)行掃描。應(yīng)按照特定時(shí)間間隔掃描傳感器，且器件會(huì)在連續(xù)掃描之間進(jìn)入休眠狀態(tài)。一個(gè)掃描-休眠周期被稱為刷新間隔。 下面給出了掃描-休眠-掃描-休眠周期的時(shí)序圖。
圖1：掃描-休眠-掃描周期
現(xiàn)在我們來著重研究刷新間隔內(nèi)的器件功率模式。當(dāng)傳感器被掃描時(shí)，稱器件處于活動(dòng)模式。傳感器掃描完成后，器件繼續(xù)處于活動(dòng)模式，這期間CPU處理傳感器數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)LED、蜂鳴器等輸出，并將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)。這步完成后，器件才進(jìn)入休眠模式。
在活動(dòng)模式下，以下模塊啟動(dòng)。
1.以MHz速度運(yùn)行的主時(shí)鐘
2.電容式感應(yīng)引擎
3.CPU
4.通信模塊，例如I2C或SPI
5.用于實(shí)現(xiàn)PWM以進(jìn)行LED亮度控制的定時(shí)器。我們稱之為“快速定時(shí)器”，因?yàn)樗芴峁┪⒚霑r(shí)基。
6.用于維持刷新間隔的定時(shí)器。我們稱之為“慢速定時(shí)器”，因?yàn)樗峁┖撩霑r(shí)基。
在休眠模式下，以下模塊啟動(dòng)。
1.用于維持刷新間隔的慢速定時(shí)器。該定時(shí)器還能將器件從休眠模式中喚醒。
2.通信模塊，例如I2C（啟用喚醒地址匹配）或SPI
為實(shí)現(xiàn)最佳的功耗，應(yīng)使用如下方法：
1.當(dāng)掃描傳感器時(shí)，CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)
2.在掃描某個(gè)傳感器的同時(shí)，處理之前掃描過的傳感器的數(shù)據(jù)。這樣就避免了器件在所有傳感器掃描完成后處理傳感器數(shù)據(jù)的過程中處于活動(dòng)狀態(tài)。
這些方法確實(shí)有助于優(yōu)化功耗，但如果設(shè)計(jì)中包含LED亮度控制等高級(jí)功能，那么功耗優(yōu)化就會(huì)退居次席。這是因?yàn)長(zhǎng)ED亮度控制需要在器件的整個(gè)執(zhí)行周期內(nèi)發(fā)生，因此要求快速定時(shí)器一直處于啟動(dòng)狀態(tài)，也就是使MHz時(shí)鐘處于開啟狀態(tài)。這會(huì)導(dǎo)致更高的功耗。然而在功耗優(yōu)化與LED亮度控制之間仍存在折衷方案。我們看看應(yīng)該如何做。
1.CPU休眠
有些高級(jí)器件，包括賽普拉斯的PSoC4等ARM cortex-M器件，能在CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)的同時(shí)讓定時(shí)器等外設(shè)在后臺(tái)運(yùn)行。我們以前了解了有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)PWM：
a.在基于固件的實(shí)現(xiàn)方案中，我們使用定時(shí)器中斷來驅(qū)動(dòng)PWM。最好的方式是：只要中斷未被觸發(fā)就讓CPU處于休眠狀態(tài)。一旦觸發(fā)中斷，CPU立即喚醒以服務(wù)該中斷。ISR必須保持越短越好，以獲得更佳的功耗。
b.當(dāng)使用硬件PWM時(shí)存在兩種情況。第一種情況是使用具有比較功能的定時(shí)器，該定時(shí)器不能直接驅(qū)動(dòng)引腳。這種情況的功耗比較低，原因在于確定PWM的占空比時(shí)ISR只驅(qū)動(dòng)引腳而不驅(qū)動(dòng)邏輯，因此CPU喚醒的時(shí)間較短。第二種情況是使用能直接驅(qū)動(dòng)輸出引腳的定時(shí)器。這種情況下不需要喚醒CPU來服務(wù)任何ISR，因此能進(jìn)一步改善功耗。
以下的圖2給出了不同情景的CPU狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化，圖中未顯示CPU喚醒以處理傳感器數(shù)據(jù)的部分。
圖2：基于固件和硬件的PWM實(shí)現(xiàn)方案中的CPU狀態(tài)
2.在休眠模式下驅(qū)動(dòng)LED
采用以上討論的功耗降低方法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化效果并不明顯，因?yàn)橹挥蠧PU處于休眠狀態(tài)。主時(shí)鐘和定時(shí)器仍然開啟，并消耗功率。
一種解決方法是采用由低功率休眠模式下的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器。這種情況下可將主時(shí)鐘關(guān)閉，并使器件進(jìn)入休眠模式。如果有一個(gè)以上的定時(shí)器能在休眠模式下運(yùn)行，那么其中一個(gè)可用來實(shí)現(xiàn)PWM，其它的用來維持刷新間隔。否則，這兩個(gè)工作都將通過慢速定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。
如果采用慢速定時(shí)器實(shí)現(xiàn)PWM以及維持刷新間隔，那么我們需要注意在功耗優(yōu)化與PWM的占空比粒度之間進(jìn)行權(quán)衡。如果要求的粒度低，應(yīng)設(shè)定好定制器的周期，使其不能過于頻繁地產(chǎn)生中斷和喚醒器件。
例如，慢速定時(shí)器以32KHz的時(shí)鐘運(yùn)行，刷新間隔為120ms。如果要求占空比以10的步長(zhǎng)變化，例如10%、20%、30%等，而且所需PWM頻率是100Hz，那么定時(shí)器可加載周期值32，這樣每隔1ms生成中斷。如果要求的占空比粒度增加，那么中斷必須出現(xiàn)得比1ms更加頻繁。此時(shí)的功耗將比之前更高。
在很多SoC中，休眠模式下工作的時(shí)鐘其精度比主時(shí)鐘的精度要低很多。典型的休眠模式時(shí)鐘容差很大，可達(dá)到±60%。而且，為了節(jié)省BOM成本通常不使用外部晶體。這種情況下，可定期根據(jù)主時(shí)鐘校正休眠時(shí)鐘，這樣生成的PWM將與由主時(shí)鐘計(jì)時(shí)的定時(shí)器所生成的PWM一樣精確。
我們來了解一種借助主時(shí)鐘校正休眠模式時(shí)鐘的方法。定時(shí)器用休眠模式時(shí)鐘計(jì)時(shí)，并根據(jù)主時(shí)鐘周期的數(shù)量使用固件延遲程序生成固定延遲。固件邏輯在延遲的末尾讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)。這就是定時(shí)器校正值�？蓪⑿Ｕ祷蚱浔稊�(shù)加載到定時(shí)器以創(chuàng)建延遲。
校正值 = 休眠模式時(shí)鐘 x 固件延遲
圖3：休眠模式時(shí)鐘校正法的方框圖演示
我們可以使用這種方法計(jì)算休眠模式時(shí)鐘的精確度。存在兩個(gè)誤差來源：
1. 主時(shí)鐘的精確度(e)
這會(huì)直接反映在固件延遲中，進(jìn)而反應(yīng)在校正值中。
2. 校正值的舍入誤差 (r)
假設(shè)最大有1位變化，誤差計(jì)算方法如下
最大舍入誤差 = 1/(固件延遲 ×休眠模式時(shí)鐘)
當(dāng)休眠模式時(shí)鐘最低時(shí)，該誤差最大。使用較大的固件延遲能減少該誤差。
現(xiàn)在，校正值的最大誤差 = e + r。
現(xiàn)在考慮這種情況：休眠模式時(shí)鐘是32 KHz ± 50%，主時(shí)鐘的精確度為±2 %，固件延遲為1ms。 這種情況下，最慢的休眠時(shí)鐘是16 KHz，e = 0.02，r = 0.0625。因此，校正值的最大誤差 = 0.0825 或 8.25 %。注意，使用10ms的固件延遲可將誤差降至2.63%
3.用喚醒式接近傳感器優(yōu)化功耗
在觸摸按鍵應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)LED亮度功能同時(shí)保持低功耗的一種創(chuàng)新方法是使用喚醒式接近傳感器。
無線鼠標(biāo)、移動(dòng)電話、平板電腦、遙控背光以及筆記本鍵盤背光等應(yīng)用均采用了這種技術(shù)，能在用戶接近設(shè)備時(shí)喚醒系統(tǒng)。這些應(yīng)用利用接近傳感器確定何時(shí)從低功耗模式切換至全功能的活動(dòng)模式。
圖4：使用喚醒式接近傳感器的應(yīng)用
當(dāng)電容式觸摸感應(yīng)器件運(yùn)轉(zhuǎn)在低功耗模式時(shí)，只掃描接近傳感器，同時(shí)關(guān)閉背光以表明器件處于非活動(dòng)狀態(tài)。只掃描接近傳感器，這樣能降低平均功耗。當(dāng)用戶手部接近UI面板時(shí)，接近傳感器可檢測(cè)手的出現(xiàn)，并喚醒設(shè)備。從低功耗模式喚醒后，電容式感應(yīng)器件進(jìn)入活動(dòng)模式，并掃描所有按鍵傳感器以檢測(cè)觸摸情況。此外，背光開啟可幫助用戶觸摸正確的按鍵。
賽普拉斯的CapSense MBR3等器件已經(jīng)在可配置的單芯片SoC中實(shí)現(xiàn)了喚醒式接近功能以及電容式感應(yīng)和亮度控制功能。
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