Low Power Capacitive Sensing – Parte 1

low power

In questo articolo parliamo di come realizzare l’interfaccia utente di una applicazione a basso assorbimento progettata utilizzando una tecnica a rilevamento capacitivo.

L’impiego di sensori capacitivi per applicazioni di interfaccia verso l’utente sta sempre più aumentando grazie alla possibilità di ridurre i costi, incrementare la vita dei prodotti riducendo l’utilizzo di componenti meccanici, e accrescere l’attrattività del prodotto dal punto di vista estetico e dell’utilizzo. Sono molte le applicazioni in cui la pressione di pulsanti meccanici e potenziometri viene sostituita da pulsanti capacitivi, controlli a cursore e a rotella. Gli esempi più classici sono controlli per la regolazione di intensità, controllo del volume, pulsanti di avvio, etc. Originariamente, quando la tecnica “capacitive sensing” è arrivata sul mercato, veniva impiegata solamente durante la modalità attiva dei sistemi. In modalità attiva, infatti, la potenza consumata dal circuito di rilevamento è inferiore alla potenza complessiva del sistema. Durante la fase inattiva, o se il dispositivo veniva alimentato a batteria, la funzione di sensing veniva disabilitata per risparmiare energia, utilizzando un qualsiasi stimolo meccanico per risvegliare il sistema. Con i progressi della tecnologia capacitiva e la sua possibilità di essere “low power”, anche i pulsanti di alimentazione possono essere implementati con questa tecnica del “capacitive sensing”. Vediamo allora come progettare una interfaccia utente per una applicazione low power utilizzando questa interessante modalità di acquisizione comandi.

PROGETTO DEL SISTEMA

Il segreto per progettare un sistema di sensing capacitivo low power è partire dalla definizione del sistema. I passi fondamentali da percorrere sono: creare un power budget, definire delle modalità di power e identificare i compiti del sistema in ciascuna di queste modalità. Soltanto quando i concetti precedenti saranno stati del tutto chiariti a livello progettuale, si potrà dire di disporre di validi punti di partenza per lo sviluppo software e hardware.

POWER BUDGET

Per realizzare il power budget di una applicazione, per prima cosa bisogna chiedersi per quanto tempo il sistema dovrà essere in grado di lavorare senza richiedere la sostituzione delle batterie. Per alcuni sistemi queste ultime possono durare anche solo sei mesi, in altre applicazioni, per esempio quelle dove l’elettronica è completamente sigillata oppure dove è collocata in zone di non facile accesso, esistono requisiti sulla durata delle fonti di energia per periodi di non meno di 10-15 anni! Dopo aver effettuato questa scelta sulla vita prevista delle batterie è possibile scegliere i modelli più adatti. Ovviamente, i fattori di costo e fattori di forma del sistema spesso limitano la scelta della batteria più indicata. Spesso, se si prevede che lo stesso tipo di batteria debba essere reperibile anche dopo 10 anni, sarà bene fare considerazioni anche sulla sua disponibilità di mercato nel lungo periodo. Una volta scelta la batteria, si può procedere con il power budget, considerando ovviamente le caratteristiche del dispositivo riportate sul foglio specifiche. La massima corrente disponibile, il parametro chiave del power budget, si può calcolare con la seguente equazione:

MAX corrente media disponibile (mA) = Capacità batteria (mAH) / Vita richiesta (H)

Le modalità di power e le funzionalità di sistema saranno progettate perché il consumo complessivo di corrente del sistema sia inferiore alla massima corrente media ottenuta.

MODALITÀ DI POWER

In ogni sistema ci sono almeno due modalità principali: attiva e inattiva. Un sistema che prevede un’interazione con un utente passerà la maggior parte del tempo nella modalità inattiva, rimanendo brevemente in modalità attiva solo quando è necessario. Le modalità attive possono essere molteplici a seconda del livello di interazione richiesto con l’utente, ma in generale, per le nostre finalità, possono essere raggruppate considerando una singola modalità attiva. L’obbiettivo è avere una modalità attiva in grado di fornire una buona interfaccia utente per brevi periodi di tempo. Nella modalità inattiva l’obbiettivo è quello di consumare il meno possibile per preservare la batteria. A questo punto, avendo la corrente media disponibile per il sistema e le modalità operative è necessario definire uno schema tra le modalità. Consideriamo per esempio una interfaccia utente utilizzata mediamente 15 minuti in un giorno. In un giorno ci sono 1440 minuti, perciò il sistema sarà in modalità attiva per l’1% del tempo. Se in modalità attiva il consumo è di 100μA, il suo contributo alla corrente media è di soli 1μA (cioè l’1%), è chiaro che anche piccole variazioni nella corrente attiva non impattano sulla durata della batteria. Se invece ora consideriamo il contributo alla corrente media della modalità inattiva, il valore di corrente consumato andrà moltiplicato per il 99%, rimanendo praticamente inalterato. Quindi, 1μA consumato in modalità inattiva vale 1μA nel calcolo della corrente media. Basandoci su questo esempio, si vede come sia molto più importante lavorare sui consumi nella modalità inattiva rispetto alla modalità attiva, poiché anche una piccola variazione di consumo migliora notevolmente la durata delle batterie.

 

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