接近檢測被用于實(shí)現(xiàn)大量智能特性。例如貼近耳朵打電話時，采用接近感應(yīng)的面部檢測能在無需使用其它功能時禁用觸摸屏并關(guān)閉LCD，以防意外觸摸和節(jié)省電池電力。移動設(shè)備中的接近檢測過去使用紅外(IR)傳感器實(shí)現(xiàn)。然而，為移動設(shè)備添加IR接近傳感器會增加系統(tǒng)成本。本文將探討利用電容式觸摸屏系統(tǒng)的自身特性實(shí)現(xiàn)接近檢測，以降低成本和縮小設(shè)備尺寸。

　　接近傳感器是一種無需任何物理接觸即能檢測并報告附件物體存在的開關(guān)。它們是具有觸摸屏界面的移動設(shè)備的重要組件。

　　為什么需要接近檢測?

　　1. 移動電話上接近檢測的主要功能是防止不必要的或意外的屏幕觸摸。這一特性最常見的用例是人的面部在打電話過程中與觸摸屏接觸。面部或耳垂在與觸摸屏表面接觸時會造成非必要的觸摸事件。

　　2. 另一項(xiàng)同樣重要的功能是接近檢測可用于在用戶通話時關(guān)閉移動電話上的LCD顯示屏。在不需要的時候關(guān)閉電話的顯示屏可節(jié)省電力，延長移動設(shè)備的電池使用壽命(圖1：移動電話中的接近檢測)。

　　3. 移動設(shè)備上的接近傳感器有時也可用于其它功能，比如計(jì)算比吸收率(SAR)。當(dāng)移動設(shè)備靠近人體時，SAR可用于衰減設(shè)備的射頻功率。這一特性最常應(yīng)用于平板電腦，在移動電話中也偶爾采用。

　　移動設(shè)備中的接近傳感器類型

　　在移動設(shè)備中實(shí)現(xiàn)接近檢測的常見方法有：

　　1. 光學(xué)(IR)

　　2. 電氣(電容式)

　　兩種方法都是非侵入式，遵循相同的工作原理：接近傳感器要么發(fā)射電場(電容式)，要么發(fā)射紅外光束(光學(xué))，然后檢測電場或反射光的變化。這兩者的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、BOM成本、可靠性、功耗和性能各不相同。在兩種方法中，使用紅外信號的光檢測目前是最成熟，在移動應(yīng)用中最廣泛使用的方式。

　　IR接近檢測

　　基于紅外技術(shù)的接近檢測需要兩個組件來構(gòu)成光學(xué)前端：

　　1. 用于發(fā)射器的紅外LED

　　2. 用于接收器的光電二極管

　　接近傳感器中的IR LED通過移動設(shè)備中的孔徑向外發(fā)射編碼的IR信號。移動設(shè)備附近的目標(biāo)(例如我們想要感應(yīng)的物體)會產(chǎn)生IR信號反射。部分反射的信號會再通過孔徑，被光電二極管捕獲。反射的信號可讓IR接近傳感器判斷孔徑形成的光錐中是否有物體存在。

　　IR接近解決方案的缺點(diǎn)

　　IR接近傳感器有一定的缺點(diǎn)與局限，使得它們難以成為移動應(yīng)用中的理想選擇。部分局限性包括附加成本(BOM成本)、功耗、死區(qū)和隨環(huán)境光照變化的不可靠操作。IR接近傳感器的局限，加上近期電容式檢測技術(shù)的進(jìn)步以及對集成和更低成本的需求，促使移動電話制造商尋求替代解決方案。

　　移動設(shè)備中的電容式觸摸檢測

　　電容式觸摸屏系統(tǒng)可用于感應(yīng)和檢測與觸摸屏表面接觸的導(dǎo)電性物體。開發(fā)人員通過調(diào)整這些系統(tǒng)的靈敏度，能夠可靠地檢測屏幕上尺寸最小的目標(biāo)物體(比如4-5mm的手指)。靈敏度調(diào)整，也稱為靈敏度調(diào)校，一般是通過設(shè)計(jì)較大觸摸傳感器或修改運(yùn)行在觸摸控制器上的固件來實(shí)現(xiàn)的。

　　實(shí)驗(yàn)證明，可以利用電容式傳感器的固有屬性來檢測距離屏幕較遠(yuǎn)處的導(dǎo)電性物體。一般來說，用于檢測手指觸摸的傳感器硬件也可感應(yīng)近距離物體。

　　電容式接近傳感器一般只有布爾值輸出，返回下列之一：

　　· 如果目標(biāo)物體接近傳感器，則為“真”;

　　· 如果目標(biāo)物體遠(yuǎn)離傳感器，則為“假”。

　　“真”與“假”輸出的切換取決于設(shè)定的信號閾值。信號閾值對應(yīng)的是當(dāng)近距物體能被可靠檢測時，其到觸摸屏的最小距離。接近信號閾值(即間接的接近距離)可通過改變觸摸屏的靈敏度加以調(diào)整。

　　為觸摸解決方案添加電容式接近檢測

　　增加接近功能的最直接方法是提升信號靈敏度，使之能夠可靠檢測遠(yuǎn)離屏幕的物體。

　　采用集成型觸摸和接近解決方案的優(yōu)秀系統(tǒng)應(yīng)該能夠：

　　· 可靠檢測所支持的最小手指尺寸;

　　· 在不造成信號值飽和的情況下，可靠檢測所支持的最大手指尺寸;

　　· 當(dāng)物體進(jìn)入一定距離閾值時，檢測接近中的物體。這種物體被稱為“靠近”或“鄰近”傳感器(圖2：接近檢測閾值)。

　　· 檢測物體離開或移出檢測區(qū)域。這種物體被稱為“遠(yuǎn)離”傳感器(圖2：接近檢測閾值)。

　　· 在要求的響應(yīng)時間內(nèi)通知主機(jī)控制器(接近的或離開的物體)。

　　支持接近檢測的電容式觸摸系統(tǒng)必須克服信號飽和以及噪聲敏感性帶來的挑戰(zhàn)，才能實(shí)現(xiàn)可靠操作。克服此類挑戰(zhàn)的方法之一是運(yùn)行單獨(dú)、專用的高靈敏度掃描，以檢測近距物體。在這種方法中，觸摸系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)掃描方式，利用為標(biāo)準(zhǔn)靈敏度配置的固件檢測手指觸摸。此外也可以使用為高靈敏度配置的固件運(yùn)行專用掃描，檢測與設(shè)備鄰近的物體。固件經(jīng)過編程，可以只報告來自高靈敏度接近掃描的接近事件。來自其它物體的觸摸則不予報告。

　　與標(biāo)準(zhǔn)的手指事件相比，接近事件的響應(yīng)時間要求要寬松得多。因此根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的要求，與標(biāo)準(zhǔn)的手指掃描相比，高靈敏度接近掃描的運(yùn)行頻率可以低得多。在典型例子中，接近掃描的執(zhí)行頻率可以是每五次標(biāo)準(zhǔn)掃描時執(zhí)行一次接近掃描。在這種情況下：

　　對接近事件而言，只需5次標(biāo)準(zhǔn)掃描+1次接近掃描+處理<響應(yīng)時間要求即可。

　　接近掃描一般是高靈敏度掃描，用于可靠地檢測遠(yuǎn)離觸摸屏表面的物體。這樣會讓系統(tǒng)易于受到噪聲影響。因此電容式接近解決方案必須具備高SNR來抑制噪聲。通過降低噪聲，就可以感應(yīng)較小的接近信號(或?qū)崿F(xiàn)更大的距離閾值)。可通過數(shù)字濾波技術(shù)、提高發(fā)射電壓、智能固件算法來實(shí)現(xiàn)此類系統(tǒng)的高SNR，同時確保滿足響應(yīng)時間要求。

　　增加觸摸傳感器尺寸、使用固件算法或修改固件配置可以提高靈敏度。增大現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的傳感器尺寸可能會造成過高成本。此外，傳感器尺寸還受設(shè)計(jì)和功耗因素的限制。這些限制讓固件修改成為提高靈敏度的最理想方法。

　　但是提高觸摸系統(tǒng)的靈敏度會帶來下列挑戰(zhàn)：

　　1)提高系統(tǒng)對接近物體的靈敏度也會提高系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)手指的靈敏度。這樣可能會造成其它觸摸物體(包括標(biāo)準(zhǔn)大小的手指)的信號值飽和。

　　2)提高靈敏度還會增加系統(tǒng)對噪聲的敏感性。

　　接近信號值會隨目標(biāo)物體遠(yuǎn)離觸摸屏而減小。如果所需檢測閾值(距離)增大，觸摸屏的靈敏度也需要提高，從而增大發(fā)生飽和以及噪聲敏感性的幾率。

　　電容式接近檢測的優(yōu)勢

　　移動設(shè)備近來的趨勢是更輕更薄，讓設(shè)備表面和內(nèi)部的空間極為珍貴。利用電容式觸摸傳感器的接近檢測功能取代傳統(tǒng)的IR接近傳感器，可以降低系統(tǒng)成本、減少BOM、簡化設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。但這種方法的最大局限是其對導(dǎo)電性物體更加敏感。雖然這種方法能有效地檢測表面，但平板電腦和電子閱讀器不能使用這種方法檢測其是否被覆蓋或關(guān)閉，除非外殼是使用金屬或其它導(dǎo)電性材料制作而成。

　　成本下降

　　傳統(tǒng)IR接近傳感器(含發(fā)射器/接收器對)的成本一般在1美元左右，另需增加0.10美元成本用于這些組件的加工和布局(板上面積會增大制造成本)。另外還有把IR傳感器數(shù)據(jù)集成到主機(jī)處理器軟件發(fā)生的非經(jīng)常性工程成本(NRE)。

　　在使用傳統(tǒng)IR傳感器時，移動設(shè)備上的彩色不透明覆蓋層需要一個透明窗口，才能讓光抵達(dá)IR接收器。電容式接近檢測可以無需該透明窗口，從而降低成本，增加美感。

　　BOM簡化與集成

　　釋放電話上寶貴空間的方法之一是把多項(xiàng)功能集成到電話上的單個器件或IC上。在電容式觸摸控制器上集成接近檢測功能可減少BOM成本，節(jié)省板上空間。

　　提高可靠性

　　IR接近檢測器容易受環(huán)境光照條件造成的錯誤讀取的影響，與電容式檢測器相比可靠性較低。IR接近檢測器布置在移動電話頂部，讓兩側(cè)的接近檢測變得非常困難和不可靠。采用電容式接近檢測后，整個屏幕都可用于檢測物體，因此具有在移動設(shè)備表面提供一致靈敏度的優(yōu)勢。

　　降低功耗

　　使用觸摸屏的電容式接近傳感器與IR傳感器相比非常節(jié)能。在現(xiàn)有觸摸屏上集成電容式接近特性能將系統(tǒng)電流消耗降低15到30mA。

　　傳感器實(shí)現(xiàn)、布局與加工

　　電容式接近檢測方法能重復(fù)利用觸摸屏傳感器，以檢測近距物體。無需為接近檢測進(jìn)行專門的傳感器設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、布局和加工。

　　設(shè)計(jì)簡化

　　主機(jī)控制器只需就基本的觸摸事件和接近事件與觸摸屏控制器進(jìn)行通信。主機(jī)控制器的接近數(shù)據(jù)可作為標(biāo)準(zhǔn)觸摸報告的一部分進(jìn)行發(fā)送，從而簡化軟件集成工作。

　　移動設(shè)備正在越來越多地搭載智能特性。OEM廠商需要在不犧牲尺寸、美感或BOM成本的情況下增加新特性。利用電容式觸摸解決方案固有特性的接近檢測可幫助降低BOM、NRE和制造成本，在最大限度提高利潤的同時讓移動設(shè)備外形更加美觀實(shí)用。

　　賽普拉斯在旗下的多個產(chǎn)品線中提供面部檢測或接近檢測功能，其中包括CY8CTMA46X和CYTMA445A系列。采用賽普拉斯的高級觸摸解決方案設(shè)計(jì)接近特性，可確保實(shí)現(xiàn)高可靠性、高SNR、優(yōu)異的抗噪性、更低的功耗和系統(tǒng)成本，同時提升性能，增強(qiáng)最終用戶的體驗(yàn)。

　　作者：賽普拉斯半導(dǎo)體公司Jacob Tomy
 
        參考資料：

　　1. TrueTouch高級特性的產(chǎn)品概述： http://www.cypress.com/?docID=44683

　　2. 賽普拉斯TrueTouch解決方案中的接近/面部檢測特性： http://www.cypress.com/touch/#Features

　　3. 具備接近/面部檢測特性的賽普拉斯Gen4和Gen4X(CYTMA46X和CYTMA445A)解決方案： http://www.cypress.com/touch/#Solutions