触摸感应HMI的设计： 消费者需求和市场压力
可穿戴设备的触摸感应人机界面（HMI）是吸引消费者的一大要素，它通过耳塞式耳机和智能眼镜等设备的触摸式按键和触摸式滚动条，或通过智能手表的小型触摸屏，提供了一种响应灵敏、一目了然的交互方式。
随着可穿戴设备的市场竞争不断推动创新，制造商在消费者特别关注的两大功能上争奇斗艳：
- 电池续航能力（“充电周期”）
- 外形尺寸：制造商必须在舒适性、便利性、功能丰富性（例如：传感器）与具有吸引力的时尚设计需求之间取得平衡
这种市场压力也影响着触摸HMI的设计决策：对于每一代可穿戴产品，制造商都希望从以下方面对触摸系统做出显著改进：
- 平均功耗：电池节能
- 设备的机械设计和外形尺寸：旨在改进触摸传感器的功能和特性，同时缩小产品的尺寸，减轻产品的重量
- 耐液性：在雨水和汗水等条件下保持性能稳定
当然！这些改进绝不能影响设备的用户体验。
为了助力制造商实现这两个目标，英飞凌推出了一款新型触摸感应控制器——PSoC™ 4000T，它适用于任何类型的可穿戴设备以及小型物联网设备。基于英飞凌全新第五代CAPSENSE™电容感应技术，PSoC™ 4000T的平均功耗较上一代PSoC™降低至1/10。同时，设计人员能够缩小触摸传感器的尺寸。由于第五代CAPSENSE™信噪比是上一代的10倍，设计人员能够在尺寸更小的触摸感应元件周围，更密集地布置器件，而不影响性能。
同时，全新的多模态感应功能使得一个传感器能够执行多个感应功能——不仅包括触摸式按键和触摸式滚动条，还包括力量感应、接近感应，甚至触摸屏感应。触摸技术的改进实现了强大的防水性能，使其在液体（例如：雨水或汗水）环境中，亦可提供优异的触摸传感器性能。
本白皮书介绍了英飞凌在工程方面的突破，实现了这些显著改进。
可穿戴设备： 触摸HMI设计团队面临的主要挑战
在市场需求下，可穿戴设备触摸HMI的设计人员需要在降低功耗和缩小尺寸的同时，增加触摸传感器功能，并保持优异的用户体验——哪怕在液体环境中也是如此。
接下来，我们来看看影响这些挑战的因素有哪些！
1. 功率挑战
1.1 为什么始终开启触摸感应功能，会耗尽电池电量
虽然智能手表等可穿戴设备的大多其他功能都可以在用户的两次活动之间，保持长时间的关闭，但触摸感应HMI却被要求始终保持开启。这是因为用户的触摸交互是随机的，无规律可循，无法预知用户何时会触发功能。因此，它必须在设备开机期间全程持续扫描，使得HMI子系统会持续耗电。在低功耗模式（持续扫描）和激活模式（触摸子系统在短时间内消耗更多电能）下，始终保持开启状态的触摸HMI都是一个重要的功耗因素，因此总体而言是一个功耗大户。可见，只要降低触摸系统的功耗，就可以有效延长充电周期。
1.2 探索触摸感应控制器的操作和架构
通常而言，触摸HMI是唤醒可穿戴设备的最常用方法。为了节约用电，设备通常具备低功耗触摸检测功能，即在设备深度睡眠模式下工作：在这个模式下，设备以仅够检测任何触摸事件的低刷新率进行扫描。在这种模式下，用户可能需要按住一会（可根据用户场景配置）按键，才能唤醒系统。
检测到触摸时，HMI会唤醒设备，同时切换到激活模式，以更快的刷新率运行，并支持设备的所有触摸感应功能。
图 1在触摸检测模式下，降低刷新率，可降低平均功耗。
上述内容解释了优化功耗的老方法，其节能程度很大程度上取决于传感器的刷新速度，因此，始终需要在功耗和快速响应用户触摸之间加以权衡。此外，由于受到架构的限制，现在的触摸HMI系统耗电量很大。为了了解其原因，我们有必要研究一下触摸传感器的扫描过程。目前绝大多数触摸感应控制器都采用与微控制器类似的架构：图2所示的英飞凌PSoC™ 4000系列触摸控制器框图就提供了一个典型的示例。其架构包括：
- CPU：受到非易失性和易失性内存支持
- 模拟前端（AFE）：连接触摸感应元件和其他传感器
- 数字逻辑功能
- I/O
图2 英飞凌PSoC™ 4000系列触摸控制器的框图
在大多数触摸控制器中（但我们可以看到，PSoC™ 4000T并非如此），扫描操作始终需要CPU的运行，来初始化触摸感应系统、配置感应元件、扫描传感器，并处理结果，以确定是否发生触摸事件。
令人遗憾的是，CPU及其相关内存也是耗电大户。
因此，“低功耗”触摸检测功能确实比激活模式触摸感应的平均功耗更低——由于降低刷新率，每秒扫描次数更少（参见图2）。但由于牵扯到CPU，在触摸检测模式和激活模式下，每次扫描都会消耗大量功率。
2. 尺寸挑战
2.1 传感器尺寸的权衡：以响应能力和准确性为代价
触摸感应元件或按键的灵敏度与其面积成正比。这意味着通过增加触摸传感器的大小，可以提高触摸HMI的响应准确性。增强灵敏度还可以提高信噪比（SNR），从而更好地避免噪声或干扰造成误触事件。其中，噪声源可能包括智能手表的显示器、蓝牙®或其他无线电天线产生的射频辐射。干扰还可能由设备表面的水、汗水或其他液体产生。高灵敏度和抗液体干扰的能力（也称防水性能）对用户体验影响很大。然而，通过增加触摸传感器的大小，来提高灵敏度，将减少设备制造商优化设备机械设计的自由度。
设备制造商还寻求通过增添新的触摸传感器功能，进一步改善用户体验，来获取竞争优势：这些功能包括力量感应和接近感应等——例如：在检测到有手指靠近，但尚未触摸时唤醒设备。某些设备还要求触摸传感器支持触摸式按键、触摸式滚动条和触摸屏功能。
设备制造商面临的挑战是，在不增加设备整体尺寸的情况下，提供这些丰富的功能，同时实现高灵敏度和高耐液性。
一个集成了所有这些功能的触摸控制器可为此提供解决方案。
2.2 第五代CAPSENSE™技术：不惧功率与尺寸挑战的解决方案
自2002年首发以来，支撑英飞凌触摸感应控制器运作的CAPSENSE™技术，一直是性能和可用性的基准。第四代CAPSENSE™技术于 2017年首次应用于PSoC™触摸控制器，带来了多项创新，首次实现了电感感应功能。
2022年，随着最新的第5代产品问世，带来了一项重大的架构创新：比率传感架构。
用于可穿戴设备的新型PSoC™ 4000T触摸感应控制器中还有另一项CAPSENSE™创新：超低功耗且始终开启的感应（MSCLP）和多模式感应技术。
它将自电容感应、互电容感应和电感感应等多种触摸感应方法整合到了一个芯片中，从而支持使用单芯片进行触摸感应、力量感应和接近感应。MSCLP还支持所谓的超低功耗且始终开启的感应功能，使PSoC™ 4000T微控制器可以在深度睡眠状态下执行触摸感应，以优化功耗。
这些创新凝聚在一起，为可穿戴设备制造商面临的功耗与尺寸挑战提供了解决方案。
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