手機(jī)中的電容式傳感解決方案

在中端手機(jī)行業(yè)中，用戶界面的改善是新款手機(jī)獲得成功的關(guān)鍵。如果一款手機(jī)根本沒有人愿意用，那么它再好又有什么意義！考慮到這一點(diǎn)，制造商們正專注于開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，以便在不降低手機(jī)用戶界面(CPUI)的性能的情況下替換尺寸較大的按鈕和開關(guān)。在CPUI中采用電容式傳感是縮減尺寸的一種行之有效的技術(shù)，它可提供低成本、魯棒性、靈活性以及一個(gè)直觀的CPUI，而且還與現(xiàn)有設(shè)備的外形尺寸和功能兼容。電容式傳感功能可以與白光LED驅(qū)動(dòng)和電池充電等其它標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)功能相組合，以進(jìn)一步降低手機(jī)的成本。賽普拉斯采用CapSense技術(shù)的PSoC混合信號(hào)陣列可讓制造商輕松地在其手機(jī)中增加電容式傳感功能。

典型的中端CPUI由幾個(gè)按鈕、開關(guān)和顯示屏組成。如果只是想擁有基本功能，CPUI僅需一個(gè)字母數(shù)字鍵盤、顯示屏，或許再加上一個(gè)電源開關(guān)就足夠了。但目前制造商設(shè)計(jì)的手機(jī)能夠?yàn)g覽網(wǎng)頁(yè)、發(fā)送文本消息、拍攝照片、甚至存儲(chǔ)和播放背景音樂。在消費(fèi)市場(chǎng)上，這些功能是吸引大多數(shù)消費(fèi)者的關(guān)鍵因素。為支持這些功能，制造商需要增加CPUI的功能。對(duì)CPUI而言，功能的增加將產(chǎn)生兩種后果：要么尺寸變大，要么更加復(fù)雜。不幸的是，消費(fèi)者同樣對(duì)更簡(jiǎn)單、小巧的手機(jī)情有獨(dú)鐘。手機(jī)制造商如何才能解決消費(fèi)者提出的這一難題呢？一種可能的辦法就是用電容式傳感器來取代傳統(tǒng)的按鈕和開關(guān)。電容式傳感器能很容易地替換時(shí)下CPUI最為常用的數(shù)字開關(guān)和線性滑塊。

電容式傳感器的基本形式就是一對(duì)相鄰的極板。在這些相鄰的極板之間存在著固有電容，電容值與極板的厚度成正比，與極板之間的距離成反比。在理想情況下，這是傳感器唯一可測(cè)到的電容。當(dāng)把一個(gè)導(dǎo)體(比如手指)放在靠近兩塊極板的地方時(shí)，就會(huì)給固有電容增加一個(gè)并聯(lián)電容。此時(shí)，可測(cè)量的電容值便是固有電容值與手指至傳感器的耦合電容值之和。當(dāng)把手指放在電容式傳感器之上，電容將增加。拿開手指后，電容將減小。智能地測(cè)量電容值的變化就可以確定手指是否存在。


圖1：典型弛張振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

電容式傳感器由普通電子線路印刷電路板(PCB)上兩個(gè)有一定間隔的相鄰銅焊盤或銅線組成。這是一個(gè)基本的電容式數(shù)字開關(guān)。同樣地，線性滑塊由PCB上電容式傳感器的一個(gè)陣列構(gòu)成。典型情況下，傳感器的一塊銅極板接地，只留有一塊有源極板。實(shí)際上，邊緣電容會(huì)增加傳感器的固有電容，通?？偟牡湫椭禐?0pF～30pF。典型的手指耦合電容值為1pF～2pF。實(shí)現(xiàn)電容式傳感器的挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)一個(gè)能夠測(cè)量3%的電容變化(由手指引起)的電路。

弛張振蕩器是一種簡(jiǎn)單而有效的電容測(cè)量電路。典型的弛張振蕩器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖1)包括4個(gè)元件：同步比較器、電流源、放電開關(guān)和電容式傳感器。

一開始，放電開關(guān)處于開路狀態(tài)，電流源對(duì)電容式傳感器進(jìn)行線性充電。電容式傳感器上的電壓斜線上升，直到超過比較器的閾值。比較器的輸出從低電平變換至高電平，使放電開關(guān)閉合。電容式傳感器通過該低阻抗通道迅速向地放電。該過程將使比較器的輸出由高變低，然后重復(fù)循環(huán)。輸出頻率(fout)取決于充電電流和電容式傳感器數(shù)值，關(guān)系式如下：

典型設(shè)計(jì)將振蕩器頻率設(shè)定在20kHz至200kHz的范圍內(nèi)，然后將該頻率饋入一個(gè)智能測(cè)量電路。通過測(cè)量頻率的變化，即可判定手指是否存在。有兩種廣為采用的測(cè)量弛張振蕩器頻率的方法：一種是測(cè)量頻率，另一種是測(cè)量周期。


圖2：頻率測(cè)量的電路與波形。

頻率測(cè)量是指利用門控定時(shí)器，在一段固定時(shí)間內(nèi)測(cè)量弛張振蕩器的頻率(圖2)。通過讀取定時(shí)器來確定在固定時(shí)間中累積的計(jì)數(shù)值。這種方法適用于與振蕩器周期相比，電容式傳感器的放電時(shí)間可以忽略不計(jì)的低頻應(yīng)用。

周期測(cè)量利用振蕩器頻率作為脈寬調(diào)制器(PWM)的門控信號(hào)(圖3)。一個(gè)比弛張振蕩器頻率更高的頻率被用來對(duì)定時(shí)器定時(shí)。定時(shí)器時(shí)鐘越快，測(cè)量電容的分辨率越高?？刹捎脗鹘y(tǒng)的555定時(shí)器或更加復(fù)雜的微控制器輕松實(shí)現(xiàn)這兩種方法。由于確定手指存在與否需要借助智能軟件算法，基于微控制器的解決方案似乎更加精巧。

PSoC混合信號(hào)陣列

賽普拉斯的PSoC混合信號(hào)陣列CY8C21x34和CY8C24794系列產(chǎn)品采用CapSense技術(shù)，具有一組獨(dú)特的硬件特性，它通過弛張振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)具有成本效益、簡(jiǎn)單的電容式傳感設(shè)計(jì)。圖4給出了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這組特性包括：多倍精度定時(shí)器和計(jì)數(shù)器、自動(dòng)連接放電開關(guān)的比較器、可編程電流源以及一個(gè)可使每個(gè)引腳都成為潛在電容式傳感器的通用模擬多路復(fù)用器。和所有的PSoC一樣，實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用所需的外設(shè)均通過內(nèi)部寄存器來配置。PSoC Designer是為PSoC應(yīng)用設(shè)計(jì)提供幫助的軟件工具，它包括專用用戶模塊和向?qū)?，以針?duì)電容式傳感設(shè)計(jì)配置內(nèi)部寄存器。這一對(duì)功能強(qiáng)大的組合為工程師們提供了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電容式數(shù)字開關(guān)(甚至更加復(fù)雜的電容式線性滑塊)所需的工具。除了內(nèi)部寄存器配置之外，PSoC Designer還包括必要的軟件程序，用于確定數(shù)字開關(guān)上是否有手指觸摸或者確定手指在線性滑塊上的準(zhǔn)確位置。為實(shí)現(xiàn)完整的電容式傳感應(yīng)用，這種智能是必需的。

周期測(cè)量的電路與波形(圖3)以及用于電容式傳感的PSoC弛張振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖4)。

該軟件算法提供兩個(gè)智能化功能。第一個(gè)功能是把從測(cè)量電路獲得的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為手指檢測(cè)結(jié)果。數(shù)字開關(guān)和線性滑塊均需要這一功能。第二個(gè)功能是利用多傳感器陣列的電容加權(quán)平均值計(jì)算手指在線性滑塊上的位置。雙單元滑塊有一個(gè)固有的單元最低有效位(LSB)。如果手指在滑塊之上，則它可以位于單元1和/或單元0之上。但是，從分辨率來看，手指位置通常超過各個(gè)電容式傳感器的物理間距，因此第二個(gè)功能還融合了一個(gè)插值算法。插值處理將LSB從1單元減小至1/2單元、1/4單元或1/16單元。插值是實(shí)現(xiàn)平滑的電容式線性滑塊的關(guān)鍵。CapSense技術(shù)和智能軟件算法的結(jié)合使PSoC成為了電容式傳感應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者。

電容式數(shù)字開關(guān)可輕而易舉地取代當(dāng)今CPUI中的基本字母數(shù)字鍵盤和電源開關(guān)。這種替代方案具有雙重優(yōu)點(diǎn)：CPUI的物理厚度和總成本均有所縮減。利用電容式傳感，多種復(fù)雜和基本的CPUI功能可以被整合在一個(gè)電容式線性滑塊中?；瑝K提供用于網(wǎng)頁(yè)瀏覽或地址簿遍歷的翻屏功能、音量控制、甚至亮度控制功能。實(shí)現(xiàn)所有這些功能所占用的空間小于傳統(tǒng)CPUI所需的空間。

二維線性滑塊可將傳統(tǒng)的CPUI轉(zhuǎn)變成觸摸板(與普通便攜式電腦所使用的觸摸板相似)。具有觸摸板CPUI的中端手機(jī)能夠提供諸如光標(biāo)控制等更便于操作的功能。電容式觸摸板的另一個(gè)特點(diǎn)是能適應(yīng)各種幾何形狀。當(dāng)與如今許多中端手機(jī)的外形和功能融為一體時(shí)，觸摸板提供無縫的靈活性。

一個(gè)需要解決的問題是與周圍環(huán)境的隔離。如果允許手指直接接觸電容式傳感器，或者受其它外界環(huán)境的危害，手機(jī)的使用壽命就會(huì)縮短。因此，必須利用絕緣材料將電容式傳感器與周圍環(huán)境隔離開來。便攜式電腦和媒體設(shè)備制造商常常采用聚脂膠帶或塑料膜提供必要的隔離。不幸的是，絕緣材料將降低手指與傳感器之間的耦合電容。較低耦合電容意味著手指檢測(cè)靈敏度下降。常見的隔離材料厚度值為0.5mm，最大厚度接近2mm。如果超過該厚度，電容式傳感器的靈敏度將低至無法到檢測(cè)手指的存在。

雖然采用絕緣層會(huì)造成總體靈敏度下降，但它卻為手機(jī)制造商提供了一條創(chuàng)新的途徑。制造商可以把二維傳感器隱匿于各種色彩絢爛的塑料膜的后面。在這種塑料膜的表面絲印了可提供基本手機(jī)功能的字母數(shù)字圖案，再沿著塑料膜的周邊絲印一個(gè)滾動(dòng)條，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)高級(jí)功能。同樣的電容式觸摸板加上各種塑料膜便能實(shí)現(xiàn)多個(gè)CPUI功能。

電容式傳感功能也可與其它的標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)功能相結(jié)合以降低手機(jī)成本。采用CapSense技術(shù)的PSoC混合信號(hào)陣列就是為提供這種靈活性而設(shè)計(jì)。PSoC能夠驅(qū)動(dòng)嵌入在手機(jī)顯示屏內(nèi)的白光LED，甚至還可為內(nèi)部的手機(jī)電池充電。以往一直由分離的微控制器來處理的功能如今已可被集成到單個(gè)PSoC中。

對(duì)當(dāng)今的中端手機(jī)制造商而言，電容式傳感技術(shù)具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。電容式傳感CPUI不僅改進(jìn)了手機(jī)的工業(yè)設(shè)計(jì)，而且還為不斷增加的消費(fèi)市場(chǎng)需求提供了創(chuàng)新的解決方案。賽普拉斯采用CapSense技術(shù)的PSoC混合信號(hào)陣列是實(shí)現(xiàn)高性能并具有成本效益的電容式傳感解決方案的關(guān)鍵。