集成电容传感和蓝牙低功耗

在多个从设备需要与一个主设备进行对话的无线通信应用中，蓝牙低功耗(BLE)协议已毫无疑问成为它们的理想选择。与其它通信协议相比，BLE具备以下优势：



1. BLE拥有极高的行业普及率，具备多厂商互操作性。据蓝牙技术联盟预测，到2018年，90%的智能手机将支持BLE。此外，BLE 在 PC、智能电视等其它主机设备中也拥有很高的普及率。

2. 公布的通信距离长达100m。

3. 超低的峰值、平均和空闲功耗让大多数使用纽扣电池的BLE从设备能够运行数年。

4. 数据传输速率高达1Mbps。

这些优势让BLE成为物联网设备、可穿戴设备、无线PC外设和遥控器等设备的最佳选择。事实上，BLE的诞生激发了全球各地的创新者打造更多前所未有的应用。



简而言之，大多数BLE从设备能够有效捕获某种输入，然后使用BLE将信息发送至客户端(即PC或智能手机)。因此，BlE从设备的主要功能包括 ：

1. 捕获输入

2. 处理输入

3. 使用BlE协议将处理后的输入通过无线方式发送至客户端。

按照捕获输入这项功能俩看，BLE设备可以划分为两个类型。

类型1：使用传感器捕获输入的设备(即传感器输入设备，SID)。

类型2：捕获人类用户的输入的设备(即人工输入设备，HID)。

以一个心率监测仪为例。该设备使用 传感器捕获人的心率。设备处理信息后，会将其发送至客户端(PC或手机)，其中用户只需戴上该设备，不需要手动输入任何信息。

再以一个使用BLE与PC进行无线通信的无线鼠标为例，其中输入由用户手动提供(采用点击和滚动的形式)

那么，这里面临的问题就是：这种区别是如何影响设备设计的呢?

人工输入BLE设备面临的挑战

为了捕获人类用户的输入，我们可以使用按键、滑块和/或滚轮。这种输入既可以是机械输入，也可以采用电容传感技术。如果是前者，我们可以使用传感器检测用户与机械组件的交互，或将机械组件直接连接到控制器。输入被捕获后将由MCU进行处理，然后通过BLE 协议栈传送到客户端。

市场上有无数设备将BLE协议栈与微控制器(MCU)集成在一起，从而让开发人员能够创建类似于传感器输入设备的单芯片系统：

但是，使用机械组件会牺牲可靠性和人体工程学理念。比如按键容易磨损，从而缩短设备的使用寿命。鉴于这些局限性，很多行业正在使用电容传感解决方案替代机械用户接口。

采用电容传感用户输入也会面临其他的挑战。比如很多架构需要两个芯片，一个用于实现电容传感，另一个用于实现BLE，从而增加PCB的尺寸，从而增加制造总成本。另外还有电源管理问题，系统需要额外的时钟来协调两个芯片的待机时间。在几乎所有应用中，采用BLE的产品(遥控器、鼠标等)都会使用电池供电。因此，延长电池寿命极为重要。

为了应对上述场景，我们需要集成了电容传感和BLE的单一芯片。

除了上述问题之外，设计人员还需要解决其它一些问题。其中需要重点考虑的问题是：弧形/厚覆面和射电辐射导致的触摸传感SNR(信噪比)的下降。 触摸传感SNR定义了设备区分预期输入信号(本例中就是用户的触摸动作)和噪声的能力。因此，SNR下降将增加设备区分实际触摸动作和噪声的失败率，从而导致误触等现象。请想象一下，如果用户正在观看一场激动人心的足球比赛，但此时触控遥控器的误触错误导致频道不断切换，用户将有何反应?

我们在这里有必要简要回顾一下电容传感技术的基础知识，然后运用这些知识了解误触的起源。

电容传感器就是PBC上的一块导体垫。传感器和地层之间有一个称为寄生电容(Cp)的电容。覆面位于传感器上方。当用户触摸电容按键时，他实际上触摸的是覆面的顶部，这将为传感器增加一个手指电容(Cf)。

因此，

触摸之前的传感器电容 = Cp (基线)

触摸时的传感器电容 = Cp+ Cf(并联电容器)

一个MCU定期扫锚传感器，检测其电容变化(即从Cp到Cp+Cf的变化)。扫描周期由扫描速率决定。

电容的计算公式是：

C = E* (A/d)

(C =Capacitance电容, E= Permittivity电容率, A=Area面积, d= distance between electrodes电极间距)

因此，对于Cf而言，“d”是覆面厚度。厚度增加(即覆面更厚)时，Cf将降低。

MCU在扫描电容变化时，它还需要 确定变化是由实际触摸动作导致的，还是由噪声导致的。当Cf较低时，某些噪声信号有可能拥有相当的强度，因此，MCU可能难以区分真实信号和噪声，从而导致误触。



对于弧形覆面(比如说触控鼠标)而言，Cf因传感器和覆面之间的空隙(降低电容率)而下降，也会导致上述问题。

对于BLE 从设备而言，影响触摸传感精度的第三个因素是蓝牙无线信号引入的“噪声”。

综上所述，我们就知道了信号减弱、噪声增强的原因。通常而言，MCU使用信噪比区分信号和噪声，如果两者的强度相当，设计一款可靠的产品将会更加复杂。

有很多方法可以解决这些问题， 但很多传统方法会增加BOM成本(因为需要额外的组件)、设计时间和设计成本(比如更多的工时)。此外，由于存在这些挑战，设计过程中可能会发生多次迭代，从而进一步推升成本，推迟最终产品的上市时间。

设计师在设计BLE从设备时还面临另外一些挑战，这些问题与BLE协议栈有关，在HID和非HID设备都会出现。其中一个战术性挑战是需要使用多个工具来开发、编程和测试BLE应用。此外，理解蓝牙技术联盟发布的BLE规范本身也是一个 繁琐的过程。为了开发固件，设计人员必需深入理解这个规范。此外，该规范会定期更新，因此需要持续开发。不遵从这些更新将会导致设备落伍，降低其互操作性。为了“通过无线方式”支持这些更新，设备还需要配备额外的存储器。增加外设存储器时，其通常连接至MCU;因此，需要通过MCU读取该存储器，这将增加功耗，并可能导致处理器因更新而阻塞。

BLE无线输出需要使用一个额外的BALUN(Balanced to Unbalanced)网络将输出阻抗调节至标准的50 Ohms。一些BLE MCU/SoC内置了BALUN，但另一些则没有。如果没有内置BALUN，则必需使用外置电感器和电容器搭建一个。这需要使用9个外置组件，从而极大增加了调节通信匹配网络(AMN)的复杂性。

幸运的是，通过选择适当的芯片，上述很多挑战均能在设计初期得到克服。

为您的BLE HID产品选择适当的芯片

选择芯片时应牢记最终目标：即一个需要最少的组件、能够提供高性能、消耗最少电能的简单设计。好消息是市场上有很多芯片组可供选择。这些芯片具有不同的价值定位。详情请参阅http://www.argenox.com/bluetooth-low-energy-ble-v4-0-development/library/a-guide-to-selecting-a-bluetooth-chipset/。

但是，同时支持电容传感和BLE的单芯片架构在市场上并不多见。赛普拉斯的PRoC BLE采用了其被市场广泛接受的CapSense技术，并且保留了CapSense的所有USP。CapSense和BLE子系统让PRoC BLE成为了HID BLE产品的一个整体解决方案。除了集成核心功能之外，PRoC BLE还解决了以下设计问题：

1. 足量的嵌入式闪存(最大128KB)和SRAM(最大16KB)以便通过无线方式更新BLE规范。 PRoC BLE还具备DMA(直接内存存取)功能，有助于在无需CPU的干涉下直接存取内存。

2. 灵活的低功耗模式有助于设备大幅降低功耗。

3. 使用配备BLE组件的PSoC Creator简化设计。随时可用的内置BLE协议栈可让设计人员利用BLE，而且无需掌握BLE 规范，从而简化设计。此外，PRoC BLE内置对蓝牙技术联盟所采用的协议和服务的支持，并提供有助于创建定制协议和服务的功能。

详情请参阅：http://www.cypress.com/products/proc-ble-bluetooth-smart

若想初步了解PRoC BLE：

1. 下载PSoC Creator IDE：www.cypress.com/creator

2. 根据您的应用购买一个工具包。对于触控鼠标、遥控器等常见应用，我们提供RDK。对于其它应用，我们提供标准的工具包和模块。

3. 另请参阅以下应用说明： http://www.cypress.com/file/140661/download