Моделирование метода автоматического включения ноутбука при открытии крышки без отдельного датчика положения

Введение

В большинстве ноутбуков состояние крышки определяется магнитом и датчиком Холла; сигнал обрабатывает встроенный контроллер (Embedded Controller, EC). Предлагаемый способ повторно использует ёмкостную матрицу тачпада и требует дежурного питания, поэтому применим к состоянию S5 и спящим режимам, но не к полностью обесточенному G3.

Гипотеза состоит в том, что движение крышки согласованно изменяет несколько пространственно разнесённых каналов, тогда как палец, кабель или иной предмет обычно создаёт локальное возмущение. Разделение модели, измерительного тракта и встроенного программного обеспечения соответствует совместному аппаратно-программному проектированию [1, с. 37-45], а последовательность «системная модель – архитектура – макетирование – проверка» – маршруту проектирования вычислительных устройств [2, с. 7-9]. Цель работы – оценить разделимость событий и ограничения будущего прототипа.

Объекты и методы исследования

Объект исследования – подсистема управления питанием мобильного компьютера; предмет – алгоритм косвенного определения открытия крышки. Предполагаются дежурное сканирование тачпада и доступ к значениям каналов. После подтверждения события EC в S5 может инициировать последовательность, эквивалентную краткому нажатию PWRBTN#. В S0 прошивка платформы обновляет состояние, возвращаемое _LID, а обработчик ACPI Machine Language (AML) формирует Notify(lid_device, 0x80). В режиме сна событие может пробуждать систему при наличии _PRW и _DSW; устаревший _PSW используется для совместимости. Это согласуется со спецификацией Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) 6.6 [3, с. 69-602].

В первом приближении дисплейный модуль рассматривается как проводящая поверхность, связанная с общей землёй. Дополнительная ёмкость i-го участка задаётся выражением

, (1)

Где Aᵢ – эффективная площадь; h₀ – электрический зазор при закрытой крышке; xᵢ – расстояние от шарнира; θ – угол открытия; η – коэффициент экранирования, геометрии и краевых эффектов. Формула плоского конденсатора пригодна лишь для первичной оценки и теряет точность при сопоставимых размерах электрода и зазора [4, с. 3-4]. Для взаимно-ёмкостной матрицы универсального выражения нет [4, с. 24-25], поэтому η калибруется, а модель не описывает конкретный серийный тачпад.

При открытии ёмкость уменьшается, поэтому ΔCq(t) = Cq,closed − Cq(t). Для четырёх каналов вычисляются сумма S = ΣΔCq, прирост G = S₃ − S₁ и пространственная вариация V = σ(ΔCq⁺)/μ(ΔCq⁺), где отрицательные значения заменяются нулём. Событие принимается при S₃ > 0,65 пФ, изменении не менее трёх каналов более чем на 0,08 пФ, G > 0,18 пФ, росте трёх каналов более чем на 0,03 пФ и V < 0,45. Пороги заданы до контрольного расчёта.

Модель включает поле 120 × 75 мм, четыре канала на расстояниях 165, 172, 178 и 185 мм от шарнира и три момента: 18, 55 и 100% конечного угла. Сформировано 60000 эпизодов – по 10000 открытий и 10000 контрольных событий в каждом режиме. Зазор выбирался в диапазоне 3–7 мм, угол – 3–20°. Для номинального режима η = 0,08–0,40 и шум 0,02–0,05 пФ; для ослабленной связи η = 0,04–0,14; для шумового режима η = 0,20–0,40 и шум 0,25–0,40 пФ до фильтрации. Сдвиг базы составлял 0,035–0,075 пФ, локальное возмущение одного или двух каналов – 0,10–1,20 пФ. Отсчёт определялся как медиана трёх измерений. Диапазоны сценарные; начальные значения генератора 20260710–20260712 позволяют повторить расчёт в той же программной реализации.

Предлагается фоновое сканирование 5 Гц с переходом на 50 Гц после предварительного порога. В примере CapSense медленный режим потребляет около 25 мкА, а после обнаружения объекта используется 50 Гц [5, с. 1-2]. Эти показатели служат только ориентиром.

Результаты и их обсуждение

При η = 0,25 и расстоянии 175 мм суммарная ёмкость закрытой системы при зазорах 3; 4,5 и 6 мм равна 6,64; 4,43 и 3,32 пФ, а при угле 3° – 1,64; 1,46 и 1,31 пФ. На рисунке показаны зависимость от угла и распределения признака S. Перекрытие хвостов подтверждает необходимость пространственного и временного критериев.

Рис. Результаты моделирования: а – зависимость ёмкости от угла; б – распределение суммарного признака в номинальном режиме

В таблице приведены результаты и 95% интервалы Уилсона. В номинальном режиме пропущено 67 из 10000 открытий и зарегистрировано 3 ложных события из 10000. Ослабление связи увеличивает пропуски, а повышенный шум одновременно снижает чувствительность и повышает долю ложных включений.

Таблица

Результаты классификации и 95%-ные доверительные интервалы

Если принять ток 25 мкА при 3,3 В, оценка за 30 суток составляет 0,059 Вт·ч, или 0,12% аккумулятора 50 Вт·ч. Это не доказывает энергетического преимущества: реальный тачпад может потреблять больше. Ценность метода – исключение отдельного магнита и датчика и программная настройка порогов.

Достоверность ограничена идеализированной геометрией: металлические элементы способны усиливать отклик или ослаблять его экранированием, а стекло, клавиатура и рамка учтены лишь коэффициентом η. Контроллер может не предоставлять сырые данные и дежурное сканирование. Реализация должна сохранять кнопку питания, блокировать повторное событие до закрытия и отключать автоматику при ошибке. Поэтому модельные показатели не являются характеристиками готового ноутбука.

Заключение

Разработан формализованный метод распознавания открытия крышки; расчёт включает 60 000 эпизодов. Номинальные 99,33 % обнаружений при 0,03 % ложных событий обосновывают прототипирование, но ослабленная связь и шум ухудшают показатели. Далее необходимы измерения на нескольких ноутбуках, проверка пробуждения через EC/ACPI, энергопотребления и устойчивости к посторонним предметам.