设计基于Windows 8的无线触控人机接口设备

这篇产品指南文章分析了基于MCU的HID（人机接口设备）的设计人员针对Windows 8电脑所面临的挑战，并说明了该公司的PRoC-UI如何可以用于减少元器件数量和成本。
第一部分
2012年10月，全世界见证了迄今最大规模的产品发布活动之一，即微软发布采用其最新用户界面（UI）和Windows风格应用的Windows 8。尽管存在批评的声音，但事实上这款最新操作系统针对客户与PC的交互方式进行了根本性的改变。
Windows 8的现代UI经过精心设计，可支持平板电脑、PC和膝上型电脑。为了使其更适用于平板电脑操作，这种Windows GUI进行了以下几项修改：
● 取消了开始按钮（Start Button）和开始菜单（Start Menu），取而代之的是功能完备的开始屏幕（Start Screen），如图1所示的针对应用、网站和文件夹等的拼贴图选项区。
● 包含了用于启动常用功能的触摸手势操作：
― 包含搜索、设置等功能的Charms Bar：使用单个手指从右侧边缘向中心滑动即可调出。
― 用于启动任何应用的命令菜单：使用单个手指从顶部边缘向中心滑动即可调出。
― 翻阅式浏览所有已打开的应用：使用单个手指从左侧边缘向中心滑动。


图1：Windows 8开始屏幕。

由于包含了用于启动常用功能的触摸手势操作，因而必须针对Windows 8为硬件添加触摸处理功能。
HID的触摸支持蓄势待发
虽然触摸功能是平板电脑所固有的，但全世界的PC机和笔记本电脑也同样需要部署Windows 8。这就意味着鼠标和键盘等人机接口设备（HID）需要演进发展并提供触摸功能。随着罗技（Logitech）和微软等主要OEM厂商推出无线触控鼠标和触控板（图2、图3），这种演变已经展开。


图2：微软的Wedge触摸式鼠标。


图3：罗技T650无线触控板。

随着Windows 8被更多客户所采用，预计对于触摸式HID的需求将随之出现大幅增长。为了跟上HID的最新潮流，大部分这些外设都将配备无线功能，从而推动全世界的OEM厂商都在寻找可用于构建无线触控HID的高效、高质量且极富成本优势的元件。

        
无线触控HID的基本构建模块
任何无线触控HID都需要三大元件：微控制器（MCU）、射频与电容式触摸控制器，如图4所示。
假定MCU、电容式触摸控制器和无线电元件之间的通信接口采用串行外设接口（SPI），而其他元件则通过通用输入输出（GPIO）引脚连接到其各自的控制器。HID能与插入到PC或笔记本电脑USB道尔芯片进行通信。对于HID设计人员来说，详尽了解这三个基本构建模块的功能至关重要。


图4：触摸式无线HID的的基本构成模块。
微控制器  机械按钮  电容式触摸控制器  触摸式用户接口元件  触摸板  电容式感应按键/电容性触摸滑条  射频  天线

电容式触摸控制器
电容式触摸控制器用于检测触摸板表面的电容变化，以确定手指的位置。触摸板通常创建在印刷电路板（PCB）或挠性印制电路（FPC）上。分布在触摸板上的传感器使用铜等导电材料制作而成。触摸板由行传感器和列传感器构成，并组成图5所示的网格形状。


图5：具有传感器网格的触摸板及电容式触摸控制器。
触摸板  电源电压  电容式触摸控制器

我们既可以将触摸板和电容式触摸控制器放置在同一块电路板上，也可以放置在不同电路板上。对于触摸板和电容式触摸控制器位于不同电路板的这种情况，传感器网格的金属线迹（Metal Trace）通过端板送出并利用FPC线缆作为两板之间的连接器。如果二者在同一电路板上，金属线迹则可将传感器网格连接至电容式触摸控制器。
电容式触摸控制器的典型工作方式
触摸控制器定期扫描所有传感器，并记录每个传感器的电容值。手指与触摸板的接触会改变接触位置处的传感器电容。触摸控制器可感应电容的相对变化并计算出实际的手指位置（即X和Y轴的位置）。将当前的手指位置与此前记录的位置进行比较，以便对手势进行解码。需要在芯片上进行手势计算，以避免在Windows操作系统上额外安装驱动器。一旦检测到新的手势，电容式触摸控制器就会利用中断将数据可用信息报告给MCU并等待MCU读取数据（图6）。


图6：电容式触摸控制器——固件流程。
扫描传感器  计算手指的位置  解码手势  是否检测到新的手势  通知MCU  等待MCU读取数据  将数据发送至MCU

        
电容式触摸——设计要领
设计电容无线触控HID时需要记住的关键设计要领包括：
刷新时间：刷新时间是指电容式触摸控制器两次连续报告的时间间隔。随着所扫描电容传感器的数量增加，扫描所有传感器的总时间将会相应增加，从而延长刷新时间。
外覆层材料与厚度：手指触发电容与外覆层材料的厚度成反比，与介电常数成正比。为了实现最佳手指响应，外覆层材料的介电常数应该较高而厚度则应较薄。
传感器间距：传感器间距是指相邻传感器中心之间的距离。X和Y二维空间典型间距是5mm，如图7所示。如果传感器间距再大就会导致精确度和线性度降低。


图7：触摸板的传感器间距。

电容感应引脚：电容式触摸板上的每个传感器均需连接至一个电容感应引脚。如果触摸控制器没有足够的电容感应引脚，则可增大传感器间距以支持所需的触摸板区域。但是这种方案会导致精确度和线性度的降低。因此，选择具有足够多电容感应引脚的电容式触摸控制器非常重要。
精确度和线性度：精确度是电容式触摸控制器获得的手指位置与实际手指位置的对比测量。线性误差是指电容式触摸控制器的报告坐标与手指沿直线运动的预期坐标之间的差值。这些测量结果受以下因素影响：
● 传感器间距：传感器间距越大，精确度和线性度就越差。
● 固件算法：精确度与线性度可能会因手指位置预测算法的精确性不同而发生相应变化。
固件可配置性：触摸控制器的固件经配置后可将不同的操作映射于不同的手势，甚至还可动态开发自定义手势以提升最终用户体验。
电容式触摸控制器
当今市场上的众多电容式触摸控制器都属于模块化元件。可通过模块对电容式触摸控制器进行编程，以处理电容式触摸检测和手势解码，并将模块作为I2C或SPI从器件连接到MCU。模块化方案的主要局限性在于无法利用电容式触摸控制器处理MCU活动。
IC供应商赛普拉斯拥有更稳定可靠的解决方案，即赛普拉斯最新推出的单芯片解决方案PRoC-UI（可编程片上射频系统 – 用户接口）（图8）。该方案集成的控制器在与低功耗WirelessUSB-NL无线电元件配合工作时，既可以处理电容式触摸功能也可以处理MCU功能。OEM厂商采用PRoC-UI就无需再使用MCU，避免了相关成本，进而降低总体材料成本。


图8：PRoC-UI，用于触摸式无线HID的赛普拉斯单芯片解决方案。
控制器  可处理电容式触摸与MCU功能  专用2.4GHz射频支持无线通信

本文的第二部分将针对无线触控HID介绍MCU和无线电元件以及系统级考虑因素。

        
第二部分
在文章的第一部分，我们探讨了Windows 8的普及将如何推动无线HID演进发展，以融入触控功能；介绍了无线触控人机界面的三个基本构建模块（如图4所示），即微控制器（MCU）、无线电元件和电容式触摸控制器；另外，还对电容式触摸控制器进行了详细探讨。
微控制器和无线电是无线触控HID的另外两个重要模块。
微控制器 － 功能与关键设计要领
微控制器（MCU）负责协调所有子系统的活动，其中包括从系统元件读取数据，通过无线电元件向电子狗传送信息，以及优化系统功耗。系统组件通过串行外设接口（SPI）/集成电路间（I2C）或通用输入输出（GPIO）引脚连接至MCU（如图4所示）。
典型的MCU工作任务包括：在检测到有效手势时从电容式触摸控制器向MCU发送中断；随后，MCU发启一个读取操作以便从电容式触摸控制器获取触摸坐标和手势信息；另外，MCU还可从其他系统元件获取信息，如触摸式鼠标的光传感器；然后，将所有信息打包并发送给无线电元件进行传输；此外，MCU还负责运行可控制无线电元件的协议。关键设计要领包括：
● 接口支持 – MCU必须支持每个不同组件（无线电元件、光传感器等）所需的接口。典型接口包括SPI和I2C等。
● GPIO – 触摸式鼠标采用的光传感器等组件通过GPIO连接到MCU。电池监控、绑定按钮（binding button）、LED和其他类似组件也需要GPIO。因此必须为MCU配置足够数量的GPIO。
● 集成型组件 – 片上组件对于MCU来说是一种附加优势，因为这样无需使用外部组件，有助于降低总体材料（BOM）成本。例如，片上模数转换器（ADC）可用于电池监控。
● 存储器 – MCU必须具有足够的闪存和足够的RAM，才能运行无线电协议并通过SPI/GPIO来控制其他组件。
● CPU速度 – 通常情况下，工作频率为20至24MHz的8位CPU就能满足触控式HID的系统要求。

        
无线电 – 功能与关键设计要领
大部分无线HID器件均采用专有的2.4GHz无线电IC。这些无线电元件通常采用高斯频移键控（GFSK）进行调制，并通过驱动器和运行于MCU上的协议进行控制。
MCU通过SPI将数据传送至无线电元件。无线电元件再将信息组成帧并传输至PC或笔记本电脑上的电子狗。典型的无线电数据包包括：
● 前导码  – 用于识别数据包开端的比特序列
● 同步字 – 用于识别接收器与发送器的独特比特序列
● 有效载荷 – 正被传输的信息
● CRC – 循环冗余校验（CRC）通常针对有效载荷计算，以确保数据的完整性
关键设计要领
吞吐量：吞吐量是指通过系统传送的数据总量，主要受以下因素影响：
空中数据速率：无线电空中数据速率是指无线电元件在空中传输数据经的速度。数据速率越高吞吐量就越大，但也更易于受到干扰。
数据包大小：大型数据包能减少与有效载荷相关的前导码等的数位开销，从而形成更大的吞吐量。但是，大型数据包也更容易受干扰影响，进而导致传输失败。
内部缓冲区：无线电的内部缓冲区被MCU用来发送或接收信息。缓冲区的大小决定了无线电元件一次能够处理的数据字节数量。较大的缓冲区能减少MCU用于分解大型数据包和多次加载内部缓冲区所需的工作量。
范围：无线HID需要采用具备10米通信距离的无线电元件。这取决于多方面因素，例如无线电元件的最大输出功率、内置低噪声放大器（LNA）的性能（该放大器使无线电元件能够接收低功率信号）以及天线设计。
干扰处理：2.4GHz无线电需要面对同样采用2.4GHz ISM传输频带的蓝牙、WiFi等干扰源带来的干扰问题。无线电元件采用接收信号强度指示器（RSSI）等来检测干扰。一旦检测到干扰，就需要通过跳频协议移动到无干扰的信道。无线电IC供应商可提供能整合干扰处理方法的协议，如赛普拉斯的AgileHID协议等。

        
全面整合
任何无线触控HID都需要以上介绍的三个基本构成模块。根据具体HID应用的要求，可能还需要其他元件，例如触摸式鼠标的光传感器。以下列出了在选择组件与供应商时需要注意的几个方面：
● 选择低功耗组件以最小化整体系统功耗
● 无线HID采用电池供电，低功耗不仅能延长电池使用寿命，而且还是这类系统的重要特性
● 甄选一家能缩短设计周期和上市时间的解决方案供应商
由不同厂商提供组件并将其组装到一起，会使设计周期更长、更复杂。而赛普拉斯作为IC 供应商不仅可提供包含集成型电容式触摸控制器、MCU和无线电元件的完整解决方案，而且还能提供实例原理图、材料清单、板面布局指南和实例固件等参考资料支持，从而大幅缩短设计周期、加速上市进程。
成本考虑 – 面向大众的触摸式产品
成本是无线触控HID制造商面临的最大障碍。针对MCU、电容式触摸控制器和无线电元件使用分立式IC会提高总体材料成本。无线HID市场对价格比较敏感，因此尽可能降低无线触控HID的材料成本是实现大规模普及的关键。而减少所需IC数量则是降低材料成本的最佳途径。
赛普拉斯PRoC-UI是一套针对无线HID的单芯片方案，其可将无线电波与可处理电容式触摸感应和MCU功能的微控制器进行集成。图9对采用PRoC-UI和不采用PRoC-UI实施的触摸式鼠标架构进行了比较。


图9：基于PRoC-UI的触摸式鼠标对比于典型的3芯片触摸式鼠标解决方案。
基于PROC-UI的无线触控鼠标  机械按钮  触摸板  天线  电池监控电路  升压转换器  1.5V电池  稳压电源  无线触控鼠标的3芯片解决方案  无线电  天线  机械按钮  触摸板  电池监控线路  微控制器  电容触摸控制器  1.5V电池  升压转换器  稳压电源

如图所示，PRoC-UI以单颗芯片替代了传统的三颗IC（MCU、电容式触摸控制器和无线电元件）方案，从而可显著节约总体材料成本。此外，由于PRoC-UI解决方案无需采用独立的MCU，因而功耗比典型的三芯片方案要低。凭借如此高效率、低成本的解决方案，推出低价格的无线触控HID已成为现实。
免责声明 – 微软Windows 8操作系统和Wedge触摸鼠标以及罗技T650触摸板的图片均来自相关公司的官方网站，仅作为说明使用。赛普拉斯与任何这些产品并无关联。