CN107508586A - 一种超低功耗触摸按键电路及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及触摸按键电路领域，尤指一种超低功耗触摸按键电路及其使用方法。与现有技术相比，本发明设有的时钟生成电路包括低功耗快速时钟输出模块以及超低功耗慢速时钟输出模块，其中超低功耗慢速时钟模块输出的时钟用于控制充放电电路的放电与充电转换及计时电路周期计时，而低功耗快速时钟输出模块输出的时钟用于控制按键电容搬移到外挂电容，这两个时钟模块具有频率稳定，功耗低的特点；通过快速时钟转移电荷，有效降低了按键电路扫描时间，从而降低了系统功耗，同时提高了电路的抗干扰能力及灵敏度，所有电路均采用低功耗元件，在一个按键扫描周期后，所有模块电路均断开连接，在保证性能的前提下，显著的降低了电路功耗。
Description
技术领域
本发明涉及触摸按键电路领域，尤指一种超低功耗触摸按键电路及其使用方法。
背景技术
目前，采用机械按键可以实现各种功能的操作，但是机械按键存在结构复杂、，但机械按键存在易损坏、用户体验差、加工难、成本高等缺陷。
触摸式按键具有美观，耐用，低成本、寿命长等优点，在越来越多的设备中得到应用，目前被广泛采用的触摸式按键为电容式触摸按键。
现有公开的一种电容式触摸按键系统及其微控制单元，该电路基于电荷迁移原理，通过搬移按键电荷到外部大电容并计算搬移次数来实现触摸按键检测。此电路具有抗干扰能力强，灵敏度高，成本低等优点，缺点是速度慢，平均功耗高。
现有公开的另一种电容触摸按键的检测电路，该电路通过检测按键电容和参考电容的电压差值来实现触摸按键识别。此电路具有检测速度快，平均功耗低等优点，缺点是灵敏度不高，电路实现和软件算法复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种超低功耗触摸按键电路及其使用方法，以改善现有电容式触摸按键灵敏度不高，电路实现复杂，平均功耗高的问题。
实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超低功耗触摸按键电路，包括有时钟生成电路、充放电电路、计数电路、按键电路、计时电路，其中，所述充放电电路包含有用于放电的外挂电容和用于电荷搬移的按键电容，所述时钟生成电路包含有两种不同震荡频率的低功耗快速时钟输出模块以及超低功耗慢速时钟输出模块，所述低功耗快速时钟输出模块、超低功耗慢速时钟输出模块分别生成4MHZ、8KHZ的时钟频率；
所述超低功耗慢速时钟用于控制计时电路计时以及外挂电容放电，所述计时电路用于循环计时，若计时电路计时计满，使充放电电路与按键电路之间的连接闭合接通，打开充放电电路；
所述低功耗快速时钟输出模块用于控制电容电荷的搬移，通过充放电电路对外挂电容放电，低功耗快速时钟输出模块周期性对按键电容充电并使按键电容放电，使按键电容电荷搬移到外挂电容，且计数电路的数值相应的以一为单位进位，若外挂电容的电压达到设定的电压阈值，则停止电荷的搬移。
进一步地，所述充放电电路由电阻、第一电容、第二电容、第一开关、第三开关、CMOS传输门、CMP比较器、第一与非门、锁存器和滤波器组合而成，所述第一开关依次通过CMOS传输门、电阻、CMP比较器、第一与非门、锁存器、滤波器与计数电路的输入端连接，所述第一电容为按键的连线和地线之间的按键电容，所述第二电容为CMOS传输门的输出端与地线之间的外挂电容，第三开关的两端分别与CMOS传输门与滤波器连接并被配置于控制第一电容、第二电容放电的开关。
进一步地，所述CMOS传输门由第二开关PMOS管和第四开关NMOS管并联组成，第一开关为NMOS管形成的开关电容，MOS管具有开关速度快、高频特性好、功率增益大的特点。
进一步地，所述计数电路被配置有接收信号使能，所述使能信号用于响应计数电路中的计数值，通过计算电路计算电子的转移次数。
一种上述超低功耗触摸按键电路的使用方法，其方法步骤如下：
步骤1，打开超低功耗慢速时钟输出模块，开启计时电路并被配置为10ms~240ms循环计时，直到计时计满；
步骤2，泄放充放电电路中的外挂电容电量；
步骤3，开启输出低功耗快速时钟输出模块；
步骤4，通过低功耗快速时钟输出模块周期性对按键电容充电到电源电压并将部分电荷搬移到外挂电容，计数电路计数增加1；
步骤5，检测外挂电容电压，达到电压阈值则停止电荷搬移，否则重复步骤4；
步骤6，保留当前按键计数电路的计数值，同时判断是否还有其他按键需要扫描，如果有，则打开下一个按键通道，重复步骤2，当所有按键扫描完毕，则关闭充放电电路和时钟生成电路；
步骤7，如果按键计数值大于或小于计数电路的计数阈值，则唤醒系统。
进一步地，所述低功耗快速时钟输出模块输出低电平时会周期性对按键电容充电，高电平时会周期性对按键电容的电荷转移到外挂电容；
进一步地，所述外挂电容电压超过比较器电压阈值时，停止计数。
本发明的有益效果在于：本发明设有超低功耗慢速时钟模块和低功耗快速时钟输出模块，其中，超低功耗慢速时钟模块输出的时钟信号用于控制充放电电路放电与充电之间的转换以及控制计时电路周期性计时运行时间，而低功耗快速时钟输出模块输出的时钟信号用于控制按键电容的电荷搬移到外挂电容中，体现两个时钟模块具有频率稳定，使用功耗低的特点；默认情况，整个触摸按键电路处于关闭状态，当打开触摸按键时，计时电路开始周期计时，计满后充放电路与按键电路之间的连接闭合，充放电电路按照快速时钟的节拍快速转移电荷到外挂电容，有效降低了按键电路扫描时间，从而降低了系统功耗，同时提高了电路的抗干扰能力及灵敏度，当外挂电容电压达到比较器阈值后，断开充放电电路与按键电路的连接，停止电荷转移，在一个按键扫描周期后，所有模块电路均断开连接，在保证性能的前提下，大大降低了电路的使用功耗。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是具体实施例中充放电电路的结构图。
具体实施方式
本发明关于一种超低功耗触摸按键电路，包括有时钟生成电路、充放电电路、计数电路、按键电路、计时电路，其中，所述充放电电路包含有用于放电的外挂电容和用于电荷搬移的按键电容，所述时钟生成电路包含有两种不同震荡频率的低功耗快速时钟输出模块以及超低功耗慢速时钟输出模块，所述低功耗快速时钟输出模块、超低功耗慢速时钟输出模块分别生成4MHZ、8KHZ的时钟频率；
所述超低功耗慢速时钟用于控制计时电路计时以及外挂电容放电，所述计时电路用于循环计时，若计时电路计时计满，使充放电电路与按键电路之间的连接闭合接通，打开充放电电路；
所述低功耗快速时钟输出模块用于控制电容电荷的搬移，通过充放电电路对外挂电容放电，低功耗快速时钟输出模块周期性对按键电容充电并使按键电容放电，使按键电容电荷搬移到外挂电容，且计数电路的数值相应的以一为单位进位，若外挂电容的电压达到设定的电压阈值，则停止电荷的搬移。
进一步地，所述充放电电路由电阻、第一电容、第二电容、第一开关、第三开关、CMOS传输门、CMP比较器、第一与非门、锁存器和滤波器组合而成，所述第一开关依次通过CMOS传输门、电阻、CMP比较器、第一与非门、锁存器、滤波器与计数电路的输入端连接，所述第一电容为按键的连线和地线之间的按键电容，所述第二电容为CMOS传输门的输出端与地线之间的外挂电容，第三开关的两端分别与CMOS传输门与滤波器连接并被配置于控制第一电容、第二电容放电的开关，利用第一开关、第三开关和CMOS传输门控制对第一电容、第二电容充放电，实现对电荷的转移。
进一步地，所述计数电路被配置有接收信号使能，所述使能信号用于响应计数电路中的计数值，通过计算电路计算电子的转移次数。
进一步地，所述锁存器被配置于控制第三开关的闭合状态，通过锁存器利用电平控制数据的输入,将信号维持某种电平状态，从而控制第三开关。
进一步地，所述CMOS传输门由第二开关PMOS管和第四开关NMOS管并联组成，第一开关为NMOS开关管，MOS管具有开关速度快、高频特性好、功率增益大的特点。
请参阅图1所示，一种上述超低功耗触摸按键电路的使用方法，所述方法步骤如下：
步骤1，打开超低功耗慢速时钟输出模块，开启计时电路并被配置为10ms~240ms循环计时，直到计时计满；
步骤2，泄放充放电电路中的外挂电容电量；
步骤3，开启输出低功耗快速时钟输出模块；
步骤4，通过低功耗快速时钟输出模块周期性对按键电容充电到电源电压并将部分电荷搬移到外挂电容，计数电路计数增加1；
步骤5，检测外挂电容电压，达到电压阈值则停止电荷搬移，否则重复步骤4；
步骤6，保留当前按键计数电路的计数值，同时判断是否还有其他按键需要扫描，如果有，则打开下一个按键通道，重复步骤2，当所有按键扫描完毕，则关闭充放电电路和时钟生成电路；
步骤7，如果按键计数值大于或小于计数电路的计数阈值，则唤醒系统。
进一步地，所述低功耗快速时钟输出模块输出低电平时会周期性对按键电容充电，高电平时会周期性对按键电容的电荷转移到外挂电容；
进一步地，所述外挂电容电压超过比较器电压阈值时，停止计数。
与现有技术相比，本发明设有的时钟生成电路包括低功耗快速时钟输出模块以及超低功耗慢速时钟输出模块，其中超低功耗慢速时钟模块输出的时钟用于控制充放电电路的放电与充电转换及计时电路周期计时，而低功耗快速时钟输出模块输出的时钟用于控制按键电容搬移到外挂电容，这两个时钟模块具有频率稳定，功耗低的特点；通过快速时钟转移电荷，有效降低了按键电路扫描时间，从而降低了系统功耗，同时提高了电路的抗干扰能力及灵敏度，所有电路均采用低功耗元件，在一个按键扫描周期后，所有模块电路均断开连接，在保证性能的前提下，显著的降低了电路功耗。
下面通过具体实施例对发明作进一步的说明。
在本具体实施例中，请参阅图2所示，所述充放电电路由电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、第一开关S1、第三开关S3、CMOS传输门、CMP比较器、与第一非门A1、滤波器A2和滤波器A3组合而成，所述第一开关依次通过CMOS传输门、电阻R1、CMP比较器、第一与非门A1、锁存器A2、滤波器A3与计数电路的输入端连接，其中，所述第一与门A1的另一组输入端还与时钟生成电路的CLK1端连接，锁存器A2的另一组输入端还与时钟生成电路的CLK2端连接，所述第一电容C1为按键的连线和地线之间的按键电容，所述第二电容C2为CMOS传输门的输出端与地线之间的外挂电容，第三开关设置在分支电路CMOS传输门与滤波器A3之间并被配置于控制第一电容C1、第二电容C2放电的开关，由于CMOS传输门的电阻R1和第一电容C1组成RC电路的时间常数很少，远少与CMOS传输门开关频率，使第一开关S1闭合的时间内第一电容C1有充足时间被VDD充电，同时利用CMOS传输门用作模拟开关，对第一电容C1和第二电容C2充放电，完成电荷的转移，且CMOS传输门还能用于传输连续变化的逻辑信号，并作为基本元件与逻辑元件组合成逻辑电路；
本具体实施例的充放电电路原理：第一开关S1和CMOS传输门受两相交叠时钟控制，第一开关S1和第二开关步骤2可同时为高电平，但不同时为低电平，当第一开关S1闭合时，第二开关步骤2断开，当第一开关S1断开时，第二开关步骤2闭合；当第一开关S1断开，第二开关步骤2闭合时，第一电容C1向第二电容C2转移电荷，转移完毕后使得第一电容C1上的电势和第二电容C2上的电势相同；CMOS传输门开关的电阻R1和第一电容C1组成RC电路的时间常数很小，远小于CMOS传输门开关频率，因此，当第一开关S1闭合第二开关步骤2断开时，VDD有充足的时间对第一电容C1充电；同时利用CMOS传输门用作模拟开关，对第一电容C1和第二电容C2充放电，完成电荷的转移。
还包括有第三电容C3，其中，第三电容C3为NMOS管形成的片内滤波电容，所述第三电容C3与CMP比较器连接，当第三电容C3两端电压小于CMP比较器的参考电压这断时间内，电源向第一电容C1充电和第一电容C1向第二电容C2转移电荷的过程中通过锁存器控制第三开关S3一直保持断开状态，确保充电的过程不放电；最终充放电电路生成TKD的输出波形为一个方波。
其中，电阻R1为片内电阻，CMP比较器为迟滞比较器，CMOS传输门由第一开关S2与第四开关S4组合而成。
本具体实施例中，低功耗快速时钟输出模块功耗为20uA和超低功耗慢速时钟输出模块功耗为400nA,两者的放电功耗均为700uA，电荷搬移功耗为50uA，同时，超低功耗慢速时钟输出模块一直启动，功耗计算如下：功耗I = 400nA + 10*((700 uA* 40us/1s) +(50uA * 100us/1s)) * 按键个数，由公式可知，开启一个通道功耗为730nA，每增加一个通道功耗增加330nA。该数据与现有技术相比，在本领域中已经处于领先水平，大大降低了系统功耗。其中，人手触摸的按键的最快速度大概10次每秒，因此每秒扫描10次即可有效识别是否有触摸事件发生，而每次扫描电荷大概需要400次搬移，按照4M时钟计算即为100us，另外放电时间大概也需要40us。
本具体实施例中，低功耗快速时钟输出模块输出的时钟在前半周期用于将按键电容上的电压充到电源电压，位于后半周期使通过将按键电容上的部分电荷转移到外挂电容中，并重复操作，使外挂电容的电压不断上升，且每转移一次电荷相应的计数电路数值以一为单位进位，当外挂电容的电压达到比较器CMP设定的电压阈值时，则停止电荷的搬移；
当外挂电容的电压小于比较器CMP的阈值电压时，充放电电路输出为高电平，当外挂电容的电压大于比较器的阈值电压时输出为低电平，其中，所述的高电平为TKD时钟信号。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种超低功耗触摸按键电路，包括有时钟生成电路、充放电电路、计数电路、按键电路、计时电路，其中，所述充放电电路包含有用于放电的外挂电容和用于电荷搬移的按键电容，其特征在于，所述时钟生成电路包含有两种不同震荡频率的低功耗快速时钟输出模块以及超低功耗慢速时钟输出模块，所述低功耗快速时钟输出模块、超低功耗慢速时钟输出模块分别生成4MHZ、8KHZ的时钟频率；
所述超低功耗慢速时钟用于控制计时电路计时以及外挂电容放电，所述计时电路用于循环计时，若计时电路计时计满，使充放电电路与按键电路之间的连接闭合接通，打开充放电电路；
所述低功耗快速时钟输出模块用于控制电容电荷的搬移，通过充放电电路对外挂电容放电，低功耗快速时钟输出模块周期性对按键电容充电并使按键电容放电，使按键电容电荷搬移到外挂电容，且计数电路的数值相应的以一为单位进位，若外挂电容的电压达到设定的电压阈值，则停止电荷的搬移。
2.根据权利要求1所述的一种超低功耗触摸按键电路，其特征在于，所述充放电电路由电阻、第一电容、第二电容、第一开关、第三开关、CMOS传输门、CMP比较器、第一与非门、锁存器和滤波器组合而成，所述第一开关依次通过CMOS传输门、电阻、CMP比较器、第一与非门、锁存器、滤波器与计数电路的输入端连接，所述第一电容为按键的连线和地线之间的按键电容，所述第二电容为CMOS传输门的输出端与地线之间的外挂电容，第三开关的两端分别与CMOS传输门与滤波器连接并被配置于控制第一电容、第二电容放电的开关。
3.根据权利要求2所述的一种超低功耗触摸按键电路，其特征在于，所述CMOS传输门由第二PMOS管和第四NMOS管并联组成，第一开关为NMOS管形成的开关电容。
4.根据权利要求1所述的一种超低功耗触摸按键电路，其特征在于，所述计数电路被配置有接收信号使能，所述使能信号用于响应计数电路中的计数值。
5.一种如权利要求1所述的超低功耗触摸按键电路的使用方法，其特征在于，其方法步骤如下：
步骤1，打开超低功耗慢速时钟输出模块，开启计时电路并被配置为10ms~240ms循环计时，直到计时计满；
步骤2，泄放充放电电路中的外挂电容电量；
步骤3，开启输出低功耗快速时钟输出模块；
步骤4，通过低功耗快速时钟输出模块周期性对按键电容充电到电源电压并将部分电荷搬移到外挂电容，计数电路计数增加1；
步骤5，检测外挂电容电压，达到电压阈值则停止电荷搬移，否则重复步骤4；
步骤6，保留当前按键计数电路的计数值，同时判断是否还有其他按键需要扫描，如果有，则打开下一个按键通道，重复步骤2，当所有按键扫描完毕，则关闭充放电电路和时钟生成电路；
步骤7，如果按键计数值大于或小于计数电路的计数阈值，则唤醒系统。
6.根据权利要求5所述的超低功耗触摸按键电路的使用方法，其特征在于，所述低功耗快速时钟输出模块输出低电平时会周期性对按键电容充电，高电平时会周期性对按键电容的电荷转移到外挂电容。
7.根据权利要求5所述的超低功耗触摸按键电路的使用方法，其特征在于，所述外挂电容电压超过比较器电压阈值时，停止计数。
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