MCU在手機(jī)與平板電腦中的應(yīng)用

MCU在當(dāng)前手機(jī)與平板電腦應(yīng)用中主要用作諸如電容式觸摸感應(yīng)接口、觸摸屏接口、攝像頭接口、不同模擬傳感器輸入檢測、USB接口以及電池充電與監(jiān)控等眾多功能的協(xié)處理器。此外，負(fù)責(zé)互連上述功能的所有邏輯和接口都可以采用像用于模擬輸入的ADC、用于蜂鳴器應(yīng)用的PWM、段式LCD、字符型LCD、圖形化LCD、用于音量控制的DAC、USB接口以及電容式觸摸屏接口等各種可用組件模塊設(shè)計而成。

本文將探討MCU和可編程片上系統(tǒng)(PSoC)在手機(jī)與平板電腦應(yīng)用中的作用，并對此類應(yīng)用存在的系統(tǒng)限制和設(shè)計挑戰(zhàn)進(jìn)行評估。采用可編程器件既可以通過降低BOM成本、縮短設(shè)計周期時間來降低整體產(chǎn)品成本，還可以通過加快開發(fā)進(jìn)程節(jié)約項目成本。

圖1 手機(jī)設(shè)計框圖(注：加亮的模塊采用MCU進(jìn)行操作。)

圖2 平板電腦設(shè)計框圖(注：加亮的模塊采用MCU進(jìn)行操作。)

當(dāng)前的手機(jī)與平板電腦設(shè)計采用8/16/32位MCU作為不同功能的協(xié)處理器。例如，MCU可以接收來自各種模擬傳感器的模擬輸入信號：

熱敏電阻等溫度傳感器、RTD與濕度傳感器可接收模擬輸入并提供用于MCU的數(shù)字電壓。

可以測量2軸/3軸運動并將其轉(zhuǎn)換成用于MCU的數(shù)字電壓的2軸/3軸加速計。

環(huán)境光傳感器(ALS)可以實現(xiàn)對寬泛照明條件下(從黑暗到陽光直射)顯示屏背光燈亮度的自動控制。

經(jīng)過外部ADC與緩沖電路的磁傳感器輸入。

用于面部檢測與手部運動檢測的接近傳感器，以便在用戶使手機(jī)接近面部時使MCU能夠關(guān)閉鍵盤。另外，當(dāng)用戶手部接近鍵盤時，MCU能夠打開鍵盤。MCU采用主機(jī)中斷功能來激活寬帶和應(yīng)用處理器，以便執(zhí)行面部檢測操作。MCU通過檢測用戶的面部、耳朵或頭部的接近實現(xiàn)面部檢測，以消除觸摸屏的誤觸摸。這樣通過關(guān)斷觸摸屏能夠減少電池消耗。此功能采用IR接近傳感器實現(xiàn)。

用于平板電腦應(yīng)用中比吸收率(SAR)調(diào)節(jié)的接近感應(yīng)。SAR是指身體暴露于射頻(RF)電磁場時吸收能量的比率。器件需要動態(tài)調(diào)節(jié)人體附近的無線電傳輸。

驅(qū)動LCD或圖形顯示屏的外部緩沖驅(qū)動電路。帶背光燈的LCD或圖形顯示屏一般用于低端手機(jī)應(yīng)用。另外，它還可以控制LCD與圖形顯示屏的背光燈。

MCU采用觸摸屏控制器處理高端手機(jī)應(yīng)用中的觸摸屏接口。

MCU采用機(jī)械鍵盤處理低端手機(jī)應(yīng)用中的用戶輸入。

MCU可以監(jiān)控鋰離子電池電壓，并能夠管理電池充電，以實現(xiàn)最佳充電壽命。

另外，MCU還可以用于手機(jī)中的故障檢測與數(shù)據(jù)恢復(fù)應(yīng)用。

MCU采用Haptics(觸覺反饋技術(shù))替代機(jī)械按鍵(其通過用力、振動或運動等觸摸方式連接用戶)。

MCU可以連接寬帶與應(yīng)用處理器，而且還能夠連接其它板上外設(shè)，如：通過I2C與SPI接口連接的攝像頭接口控制器。MCU在主機(jī)(主)和從模式下連接寬帶與應(yīng)用處理器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。寬帶和應(yīng)用處理器采用板上USB 2.0/3.0控制器向外部傳輸數(shù)據(jù)。

手機(jī)應(yīng)用中的可編程片上系統(tǒng)器件：

可編程片上系統(tǒng)(PSoC)是由MCU與可編程邏輯和高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換功能以及常用固定功能外設(shè)組合而成。此外，這些器件還集成有閃存、SRAM及EEPROM。

在低功耗模式下，此類器件消耗的電流不足1μA，因此使其非常適用于待機(jī)模式下的手機(jī)操作。為了保持低功耗操作，可編程片上系統(tǒng)器件還應(yīng)配備一個用于實時測量的內(nèi)部RTC組件，這也非常重要，這樣就避免使用外部時鐘/振蕩器電路。同樣，USB和安全數(shù)字(SD)卡接口對手機(jī)和平板電腦應(yīng)用也很重要。

在低端手機(jī)應(yīng)用中，采用內(nèi)部PWM功能可以簡化每次按鍵操作時蜂鳴器音調(diào)的控制與變化。PWM的占空比隨用戶通過GUI界面設(shè)置的所需速度變化。內(nèi)部DAC可以用于控制揚聲器音量和執(zhí)行揚聲器的靜音功能。

內(nèi)部運算放大器、比較器和ADC可進(jìn)一步簡化設(shè)計。例如，賽普拉斯的PSoC系列器件將12位1MSPS逐次逼近ADC與差分及單端模式集成在一起，其中包括采樣-保持(S/H)功能，其可以用于測量不同傳感器輸入，包括監(jiān)控電池以及采用熱敏電阻或RTD等溫度感應(yīng)裝置感應(yīng)溫度。這樣就避免使用外部放大器、ADC及比較器，從而可以最大限度地減少手機(jī)應(yīng)用的PCB需求。

靈活的工作范圍(如：從1.71V~5.5V)使其更便于與外設(shè)相連，以實現(xiàn)其它應(yīng)用。由于工作電壓低至1.71V以及具有超低功耗，再加上提供能夠平衡喚醒時間與功耗的休眠模式和深度睡眠模式，因此可以在支持快速響應(yīng)的同時確保更長電池使用壽命。

由于手機(jī)或平板電腦連接眾多外設(shè)，因此可編程片上系統(tǒng)需要支持多種靈活的接口。例如，配備可重新配置I2C、SPI或UART功能的兩個獨立的運行時間可重配置串行通信模塊(SCB)可以在手機(jī)解決方案中用于內(nèi)部與外部外設(shè)通信。

對于需要觸摸接口的高端手機(jī)而言，支持電容式感應(yīng)技術(shù)至關(guān)重要。在支持手動和自動調(diào)?；A(chǔ)上，開發(fā)人員能夠支持防水觸摸接口等高級功能。

為了進(jìn)一步簡化設(shè)計，關(guān)鍵是對LCD及圖形顯示屏的直接驅(qū)動，以顯示不同菜單選項。采用適當(dāng)設(shè)計工具可以實現(xiàn)靈活的實施方案，如：PSoC Creator IDE工具，其支持用于設(shè)計接口和邏輯(如：用于模擬傳感器及其它模擬輸入的SARADC和PGA)的組件模塊。PWM、CLK、MUX和比較器組件可以用于手機(jī)應(yīng)用。字符型LCD和段式LCD組件可以直接(也就是說無需外部緩沖器)驅(qū)動LCD/圖形LCD。另外還具有用于實時測量的RTC組件。PSoC Creator具有內(nèi)部系統(tǒng)時鐘，因此無需外部時鐘/振蕩器電路。其他組件包括定時器、蜂鳴器、CapSense電容式觸摸感應(yīng)、段式LCD、字符型LCD、圖形LCD等。

PSoC Creator另外允許用戶使用配備集成編譯器工具鏈、RTOS解決方案和生產(chǎn)編程器的完整工具系統(tǒng)。利用PSoC Creator和PSoC Designer IDE，客戶能夠創(chuàng)建和共享采用分層級方案設(shè)計的用戶自定義定制外設(shè)。客戶可以對所選組件自動進(jìn)行布局布線，并集成簡單的膠合邏輯，其一般位于分立器件中。

手機(jī)中基于不同電容式感應(yīng)技術(shù)的解決方案：

電容式按鍵與應(yīng)用：

電容式滑條與應(yīng)用：

手套觸摸應(yīng)用：

無源觸筆輸入應(yīng)用：

接近應(yīng)用：

面部檢測應(yīng)用：

平板電腦SAR調(diào)節(jié)應(yīng)用：

Haptics應(yīng)用：

系統(tǒng)限制

電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)可以用觸摸式鍵盤替代機(jī)械按鍵。采用電容式感應(yīng)技術(shù)可以智能手機(jī)和平板電腦上實現(xiàn)安卓/Windows按鍵，而且可以同時用于內(nèi)嵌式(On-Cell)和外嵌式(In-Cell)拓?fù)?。這不僅能夠減少機(jī)械按鍵導(dǎo)致的故障，而且還可提高產(chǎn)品可靠性。此外，采用可以不斷補(bǔ)償系統(tǒng)、生產(chǎn)和環(huán)境變化的動態(tài)感應(yīng)算法能夠自動調(diào)校靈敏度，從而避免手動調(diào)整。移動設(shè)備所采用的有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管(AMOLED)顯示屏上的虛擬按鍵減少了可用屏幕空間占用。

PSoC支持手機(jī)的防水應(yīng)用。它不會檢測水滴造成的誤判的觸發(fā)，而且按鍵在有水滴情況下能夠正常運行。

為了確保可靠操作，CSD PLUS以及具有更高抗噪性的電容式逐次逼近技術(shù)(CSA EMC)等觸摸感應(yīng)算法可保證手機(jī)的可靠操作。為了提高簡便易用性，這些算法還需要支持手套觸摸和觸控筆，同時還需要用基于電容按鍵的面部檢測系統(tǒng)替代現(xiàn)有基于IR的面部檢測技術(shù)。它實現(xiàn)對SAR調(diào)節(jié)和Haptics的支持，以改善最終產(chǎn)品用戶體驗，而且用SmartSense自動調(diào)校功能消除系統(tǒng)調(diào)校。其即使在高噪聲操作條件下也能保證可靠的按鍵性能。

手機(jī)和平板電腦在不斷變薄，小巧而寶貴的空間需要容納所有必備的電子組件。因此設(shè)計人員需要占用最少板級空間的組件，通過實現(xiàn)現(xiàn)成的組件來降低組件數(shù)量。

SmartSense自動調(diào)校功能可以設(shè)置、監(jiān)控和持續(xù)保持最佳手機(jī)性能。有了該功能，無需系統(tǒng)調(diào)校，因此可減少設(shè)計工作量。自動調(diào)校功能適用于PCB和覆蓋層，并可減少影響觸摸感應(yīng)性能的制造偏差。它可以實現(xiàn)采用不同覆蓋、按鍵形狀和線跡長度的平臺設(shè)計方法，而且可以應(yīng)對系統(tǒng)環(huán)境的變化，包括EMI噪聲源，如：RF和AC線路。

手套觸摸需要支持不同類型的手套，如：滑雪手套、橡膠手套、毛線手套、皮手套、布手套等。另外，其針對手機(jī)應(yīng)用還需要區(qū)分手指觸摸和手套觸摸。它使設(shè)備能夠用于用戶需要佩戴手套的不同環(huán)境條件(如：寒冷天氣、醫(yī)院等)，而且還支持厚度達(dá)到4毫米的手套而不出現(xiàn)誤檢。

理論上系統(tǒng)能夠通過觸控筆在草圖、菜單和按鍵之間無縫切換。對3毫米無源觸控筆的支持使支持觸控筆的設(shè)備更簡單易用，而以前用戶需要用手指觸摸按鍵，即便是在使用觸控筆工作時也需要手指配合。另外它還可以區(qū)分手指和觸控筆輸入。

系統(tǒng)還支持采用PCB線跡、單線、聯(lián)動按鍵或單按鍵實現(xiàn)方案的接近檢測。因此，用戶手部接近鍵盤時激活前鍵盤。

相關(guān)應(yīng)用可能需要防水性，尤其是用戶在潮濕環(huán)境下工作時。電容式感應(yīng)算法需要采用屏蔽電極消除水滴和薄霧造成的誤判的觸摸，同時采用保護(hù)傳感器消除蒸汽或浸沒造成的誤判的觸摸。

在前面板而非LCD顯示屏與鍵盤上實現(xiàn)基于觸摸屏的設(shè)計可給用戶提供更好的界面和更高的靈活性。

電容式面部檢測可以低成本替代其他MCU采用的IR接近傳感器。它可以在各種光照與反射條件下提供可靠的性能。

檢測用戶膝部或手部接近筆記本電腦/平板電腦無線電能夠調(diào)節(jié)RF功率，以符合SAR規(guī)定。其可以通過兩種方式實現(xiàn)：

● 在器件周邊采用單線/線跡限制所有無線電發(fā)射。

● 采用眾多傳感器有選擇性地限制無線電在人體附近的發(fā)射。

接近檢測功能還可以用于實現(xiàn)手機(jī)與平板電腦的以下功能：

1.喚醒方法：在手部靠近設(shè)備時手機(jī)自動關(guān)閉鈴聲。

2.用前隱藏：在手部靠近設(shè)備之前關(guān)閉背光燈。

3.機(jī)械控制桿支持：檢測手指接觸控制桿，同時通知主機(jī)忽略對相鄰按鍵的意外觸摸。

4.手勢識別：識別基本的手部/手指姿態(tài)。

5.設(shè)置控制：根據(jù)手機(jī)是處于用戶手中還是口袋中來控制手機(jī)的設(shè)置(靜音、振動、響鈴等)。

6.面部檢測(替代IR接近傳感器)。

7.SAR調(diào)校。

隨著電路板內(nèi)部和外部接口的不斷增多，入侵者破壞系統(tǒng)的方式也層出不窮。故障分析和退回材料是這種嵌入式系統(tǒng)的最大局限性之一，而單芯片解決方案可以解決此問題。

設(shè)計挑戰(zhàn)：

使CapSense性能(信噪比)符合前面板上附近的LED(基于PWM)是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。

實現(xiàn)防水性也是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。

根據(jù)線跡電容變化以及CapSense按鍵與滑塊大小及形狀的變化實現(xiàn)自動調(diào)校、利用更厚的玻璃材料(顯示屏玻璃)實現(xiàn)CapSense感應(yīng)、以及使CapSense靈敏度符合相關(guān)材料類型同樣是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。

顯示屏、觸摸屏和按鍵采用柔性印刷電路(FPC)接口是系統(tǒng)設(shè)計人員的設(shè)計難題。

由于此解決方案涉及機(jī)電構(gòu)造，因此設(shè)計緊湊的低成本機(jī)電解決方案是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的一大設(shè)計挑戰(zhàn)。驗證機(jī)電設(shè)計是否符合EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。

手機(jī)應(yīng)用需要故障檢測和恢復(fù)機(jī)制。手機(jī)應(yīng)用需要具備電池保護(hù)、過流、過熱、啟動故障條件等功能的電源設(shè)計。在手機(jī)應(yīng)用中實現(xiàn)自我診斷功能是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。

由于此解決方案可能會全天候不間斷運行，因此組件選擇及其可靠性是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。

實現(xiàn)電壓波動防護(hù)是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。實現(xiàn)通用的電源和系統(tǒng)是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。

具有一次性可編程(OTP)特性的微控制器可以防止競爭對手和黑客對固件實施逆向工程。

手機(jī)和平板電腦采用微控制器作為當(dāng)前設(shè)計中的協(xié)處理器。PSoC由微控制器和ASIC組合而成。PSoC可以在手機(jī)應(yīng)用中提供簡單易用的環(huán)境。在這些應(yīng)用中采用PSoC既可通過降低BOM成本和縮短設(shè)計周期時間來降低產(chǎn)品成本，又可通過采用PSoC Creator和PSoC Designer實現(xiàn)方案來節(jié)省項目成本。