基于电容感应的灯光控制用户界面

环境光控制正日渐普及。该特性已经应用于飞机、宾馆、饭店、酒吧、住宅等。环境光的控制方式多种多样，既有只控制亮度的方式，也有同时控制色度、饱和度和亮度等不同属性的方式。

基本的环境光控制应用包含一个用户界面或者可为控制器提供控制信号以改变光的亮度或者颜色的环境光感应器。基本的环境光控制器的方框图如图1所示。

图1：基本环境光控制器的方框图

市场上可用的大多数解决方案仅采用用户界面或者结合采用环境光感应器与用户界面来控制环境光。这类用户界面如图2所示。

    

图2：环境光控制用户界面

一般而言，人们可以通过用户界面的选择键选择预定义的光选项，但只能从这些预定义选项中进行选择却限制了用户根据自己的选择对光照的各种属性进行控制和配置的能力。本文将探讨使用电容感应器控制各种光属性的用户界面。

使用电容感应器不仅可以让用户界面拥有光滑且极具吸引力等优势，而且还能够节省成本，让解决方案更加经久耐用，免受抖晃影响。部分使用电容感应器的其他特性还包括背光和靠近触发器件背光，可让系统面貌焕然一新，为设计人员带来大量设计余裕。

电容感应
电容感应是一种检测感应器被触摸时容量变化情况的技术。用于电容感应的感应器均置放在PCB板上的铜质垫片。这些铜质垫片上覆盖有被称之为外覆层的厚绝缘材料。因此，当用户触摸到感应器上方的外覆层的时候，电容会略有增加。这样，通过探测这样微弱的增加电容，就可以确定感应器得到了触摸。

CY8C21x34 – PSoC系列器件提供的电容感应CSD法可以用于本应用。这种方法使用开关电容器和Δ-Σ技术来测量感应器的电容。图3的方框图说明了在CY8C21x34实现CSD的方法。

图3：在CY8C21x34中使用CSD的方框图

In this technique, the sensor capacitance, CX is emulated as a resistor using the switched capacitor technology. The value of the emulated resistance can be given by following equation 1.

在这种方法中，使用开关电容技术将感应器的电容Cx仿真为一个电阻。仿真得出的阻抗值可通过以下方程式1得出。
   方程式1

因此，调制器电容器CMOD通过仿真电阻充电。当CMOD两端的电压超过VREF时，比较器的输出会连接泄漏电阻器RB接地以泄放CMOD。这将把比较器的输出置于LOW，断开电阻RB。这个过程将不断重复，比较器会输出一串开启计数器的脉冲。计数器的输出是对应着感应器电容的数字值。

当以手指触摸感应器时，感应器的电容会增加，并降低Req。这样会更快地为CMOD充电。由于泄漏时间恒定，充电时间可变，比较器输出的将是一串占空比不同的脉冲。在本例中，对于时间较长的情况，比较器的输出将处于HIGH状态。因此，计数器的输出将发生变化。这种从计数器获得的计数变化将帮助检测手指的贴近。

使用伪随机序列（PRS）生成器生成开关频率，可以扩展开关频率信号的频谱，降低辐射，增强抗噪能力。

用户界面
环境光控制器的基本用户界面可以对红、绿、蓝三色以及光照强度的选择进行控制。因此，它需要至少4个电容按钮和1个滑条来控制光的强度值和色彩的饱和度。滑条可设计为放射状的滑条。滑条段数可以根据多种因素来确定，如滑条直径、达到100%值的转数，外覆层厚度，等等。

典型的感应器设计布局如图4所示。这种设计为光的红、绿和蓝分量安排了电容开关。另外它还安排了一个亮度开关。中间的放射状滑条用来根据通过按下R、G、B或者强度开关选择的功能来控制色彩饱和度和光的强度。

图4： 电容感应器用户界面

放射状滑条是以环形布置的多个电容感应器的组合。它与线性滑条类似，区别仅在于环形滑条没有开始端和终止端。激活一个感应器就会半激活相邻的物理感应器。手指在滑条上的实际位置是通过计算激活的感应器图心位置来确定的。

集群接近感应和背光
集群接近感应和背光是本设计的增值特性。该特性可以在手接近设备的时候启动界面的背光，以便让用户在黑暗中找到界面。

CY8C21x34内置一个模拟复用总线，用来把连接到各个引脚的感应器连接到CSD时钟上。用作集群接近时，放射状滑条的各段都连接到模拟复用总线上。这可以通过以下IDE（PSoC Designer）中用于CY8C21x34器件的API来实现。

    CSD_EnableSensor (0x02, 0x044); // Connects P2.6 and P2.3 to the Analog Mux Bus

不管什么时候，当检测到手的时候，就会激活背光，以便用户可以找到界面。这项功能还可以在手离开界面后关闭背光，以节省电力。

开启背光的距离可以通过调节集群感应器来加以相应配置。控制启动距离（直至限定值）使用的参数包括Scan Speed、Ref Value和Resolution。

扫描速度
扫描速度是CSD模块中用来控制感应器扫描速度的参数。该参数可以帮助改善信噪比（SNR）。扫描速度决定了比较器输出ON状态的持续时间，这将反过来影响系统的计数。由于对输入信号的超采样，较低的扫描速度能够提供更好的信噪比。较低的扫描速度还能够提供更好的抵御电源噪音的能力。各种扫描速度下的测试结果请参见附录A。从图上可以看出，因其噪音低、信噪比高，所以在接近设计中应采用较低的扫描速度。因此，在集群接近感应器设计中，应使用较低扫描速度；在扫描剩余感应器时，应使用较高的扫描速度。

分辨率
由于超采样增量测量法的性质所致，在分辨率增加的情况下，噪音会有所下降。分辨率越高，测量感应器的时间就越长，而由于这种集成行动，滤除的噪音就越多。请参考附录A了解测试结果：

参考值
在比较器的倒相输入端施加与该值相对应的电压VREF。由于把RB接地所产生的反馈作用，非反相端的电势也是VREF。当该电势设置得较小时，感应器存储的电荷量将增加，具体原因请参见公式2的基本电容方程式。

     方程式2
因此，降低参考值可以改善信号质量，进而改善信噪比。

背光LED
背光LED的作用是用来增强暗处界面的能见度。其可以用单色LED，也可以用三色LED。三色LED可以准确地再现受控的周边环境光。对于三色LED，可以使用降压/升压配置，根据需求构造闭环系统，进而控制LED的色彩和强度。

结论
本文分析了使用CapSense作为用户界面来控制环境光的优势。同时还讨论了实现基本用户界面及附加特性的设计指南。