作者：英飛凌官微
▎觸摸感應HMI的設計：消費者需求和市場壓力
可穿戴設備的觸摸感應人機界面（HMI）是吸引消費者的一大要素，它通過耳塞式耳機和智能眼鏡等設備的觸摸式按鍵和觸摸式滾動條，或通過智能手錶的小型觸摸屏，提供了一種響應靈敏、一目了然的交互方式。
隨著可穿戴設備的市場競爭不斷推動創新，製造商在消費者特別關注的兩大功能上爭奇鬥豔：
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電池續航能力（“充電周期”）
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外形尺寸：製造商必須在舒適性、便利性、功能豐富性（例如：傳感器）與具有吸引力的時尚設計需求之間取得平衡
這種市場壓力也影響著觸摸HMI的設計決策：對於每一代可穿戴產品，製造商都希望從以下方面對觸摸系統做出顯著改進：
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平均功耗：電池節能
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設備的機械設計和外形尺寸：旨在改進觸摸傳感器的功能和特性，同時縮小產品的尺寸，減輕產品的重量
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耐液性：在雨水和汗水等條件下保持性能穩定
當然！這些改進絕不能影響設備的用戶體驗。
為了助力製造商實現這兩個目標，英飛凌推出了一款新型觸摸感應控制器——PSoC™ 4000T，它適用於任何類型的可穿戴設備以及小型物聯網設備。基於英飛凌全新第五代CAPSENSE™電容感應技術，PSoC™ 4000T的平均功耗較上一代PSoC™降低至1/10。同時，設計人員能夠縮小觸摸傳感器的尺寸。由於第五代CAPSENSE™信噪比是上一代的10倍，設計人員能夠在尺寸更小的觸摸感應元件周圍，更密集地布置器件，而不影響性能。
同時，全新的多模態感應功能使得一個傳感器能夠執行多個感應功能——不僅包括觸摸式按鍵和觸摸式滾動條，還包括力量感應、接近感應，甚至觸摸屏感應。觸摸技術的改進實現了強大的防水性能，使其在液體（例如：雨水或汗水）環境中，亦可提供優異的觸摸傳感器性能。
本白皮書介紹了英飛凌在工程方面的突破，實現了這些顯著改進。
▎可穿戴設備：觸摸HMI設計團隊面臨的主要挑戰
在市場需求下，可穿戴設備觸摸HMI的設計人員需要在降低功耗和縮小尺寸的同時，增加觸摸傳感器功能，並保持優異的用戶體驗——哪怕在液體環境中也是如此。
接下來，我們來看看影響這些挑戰的因素有哪些！
1.功率挑戰
1.1為什麼始終開啟觸摸感應功能，會耗盡電池電量
雖然智能手錶等可穿戴設備的大多其他功能都可以在用戶的兩次活動之間，保持長時間的關閉，但觸摸感應HMI卻被要求始終保持開啟。這是因為用戶的觸摸交互是隨機的，無規律可循，無法預知用戶何時會觸發功能。
因此，它必須在設備開機期間全程持續掃描，使得HMI子系統會持續耗電。
在低功耗模式（持續掃描）和激活模式（觸摸子系統在短時間內消耗更多電能）下，始終保持開啟狀態的觸摸HMI都是一個重要的功耗因素，因此總體而言是一個功耗大戶。
可見，只要降低觸摸系統的功耗，就可以有效延長充電周期。
1.2探索觸摸感應控制器的操作和架構
通常而言，觸摸HMI是喚醒可穿戴設備的最常用方法。為了節約用電，設備通常具備低功耗觸摸檢測功能，即在設備深度睡眠模式下工作：在這個模式下，設備以僅夠檢測任何觸摸事件的低刷新率進行掃描。在這種模式下，用戶可能需要按住一會（可根據用戶場景配置）按鍵，才能喚醒系統。
檢測到觸摸時，HMI會喚醒設備，同時切換到激活模式，以更快的刷新率運行，並支持設備的所有觸摸感應功能。
上述內容解釋了優化功耗的老方法，其節能程度很大程度上取決於傳感器的刷新速度，因此，始終需要在功耗和快速響應用戶觸摸之間加以權衡。此外，由於受到架構的限制，現在的觸摸HMI系統耗電量很大。為了了解其原因，我們有必要研究一下觸摸傳感器的掃描過程。目前絕大多數觸摸感應控制器都採用與微控制器類似的架構：圖2所示的英飛凌PSoC™ 4000系列觸摸控制器框圖就提供了一個典型的示例。其架構包括：
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CPU：受到非易失性和易失性內存支持
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模擬前端（AFE）：連接觸摸感應元件和其他傳感器
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數字邏輯功能
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I/O
圖2 英飛凌PSoC™ 4000系列觸摸控制器的框圖
在大多數觸摸控制器中（但我們可以看到，PSoC™ 4000T並非如此），掃描操作始終需要CPU的運行，來初始化觸摸感應系統、配置感應元件、掃描傳感器，並處理結果，以確定是否發生觸摸事件。
令人遺憾的是，CPU及其相關內存也是耗電大戶。
因此，“低功耗”觸摸檢測功能確實比激活模式觸摸感應的平均功耗更低——由於降低刷新率，每秒掃描次數更少（參見圖2）。但由於牽扯到CPU，在觸摸檢測模式和激活模式下，每次掃描都會消耗大量功率。
2.尺寸挑戰
2.1傳感器尺寸的權衡：以響應能力和準確性為代價
觸摸感應元件或按鍵的靈敏度與其面積成正比。這意味著通過增加觸摸傳感器的大小，可以提高觸摸HMI的響應準確性。增強靈敏度還可以提高信噪比（SNR），從而更好地避免噪聲或干擾造成誤觸事件。
其中，噪聲源可能包括智能手錶的顯示器、藍牙®或其他無線電天線產生的射頻輻射。干擾還可能由設備表面的水、汗水或其他液體產生。高靈敏度和抗液體干擾的能力（也稱防水性能）對用戶體驗影響很大。然而，通過增加觸摸傳感器的大小，來提高靈敏度，將減少設備製造商優化設備機械設計的自由度。
設備製造商還尋求通過增添新的觸摸傳感器功能，進一步改善用戶體驗，來獲取競爭優勢：這些功能包括力量感應和接近感應等——例如：在檢測到有手指靠近，但尚未觸摸時喚醒設備。某些設備還要求觸摸傳感器支持觸摸式按鍵、觸摸式滾動條和觸摸屏功能。
設備製造商面臨的挑戰是，在不增加設備整體尺寸的情況下，提供這些豐富的功能，同時實現高靈敏度和高耐液性。
一個集成了所有這些功能的觸摸控制器可為此提供解決方案。
2.2第五代CAPSENSE™技術：不懼功率與尺寸挑戰的解決方案
自2002年首發以來，支撐英飛凌觸摸感應控制器運作的CAPSENSE™技術，一直是性能和可用性的基準。第四代CAPSENSE™技術於 2017年首次應用於PSoC™觸摸控制器，帶來了多項創新，首次實現了電感感應功能。
2022年，隨著最新的第5代產品問世，帶來了一項重大的架構創新：比率傳感架構。
用於可穿戴設備的新型PSoC™ 4000T觸摸感應控制器中還有另一項CAPSENSE™創新：超低功耗且始終開啟的感應（MSCLP）和多模式感應技術。
它將自電容感應、互電容感應和電感感應等多種觸摸感應方法整合到了一個晶片中，從而支持使用單晶片進行觸摸感應、力量感應和接近感應。MSCLP還支持所謂的超低功耗且始終開啟的感應功能，使PSoC™ 4000T微控制器可以在深度睡眠狀態下執行觸摸感應，以優化功耗。
這些創新凝聚在一起，為可穿戴設備製造商面臨的功耗與尺寸挑戰提供了解決方案。
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