低成本電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)

觸摸感應(yīng)按鍵因其易于使用、美觀且不涉及機(jī)械運(yùn)動(dòng)而在日常的人機(jī)界面應(yīng)用中得以普及，尤其是電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)可以通過標(biāo)準(zhǔn)PCB設(shè)計(jì)中的銅焊盤來實(shí)現(xiàn)，因而相比其他技術(shù)更受歡迎。

　　本文將對(duì)電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)的基本原理進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。文中將會(huì)介紹如何利用CVD（電容分壓器）技術(shù)和一個(gè)稱為充電時(shí)間測(cè)量單元（CTMU）的單片機(jī)外設(shè)來實(shí)現(xiàn)具有最少外部元器件的低成本電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)，還將給出一個(gè)參考設(shè)計(jì)來說明如何用電容式觸摸感應(yīng)按鍵來替代機(jī)械開關(guān)。

　　近來，電容式感應(yīng)滾輪在許多設(shè)備中所獲得的成功使得此項(xiàng)技術(shù)比起其他觸摸感應(yīng)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。

　　電容式觸摸感應(yīng)的原理

　　當(dāng)任何具有電容特性的物體（例如手指）接觸電容式觸摸感應(yīng)器時(shí)，都將因其介電特性而充當(dāng)另一電容。這將改變系統(tǒng)的有效電容，從而以此檢測(cè)觸摸動(dòng)作。

　　如圖1所示，手指充當(dāng)其中一個(gè)平行極板，而另一個(gè)平行極板則連接到芯片的傳感器輸入端。人體血液中的鐵質(zhì)將產(chǎn)生一組電容，這些電容附著于體表。當(dāng)這一電容組接近導(dǎo)體時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)實(shí)質(zhì)上耦合到地的電容，在確定觸摸時(shí)它將反映為測(cè)量電壓的變化。

　　圖1：電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)原理圖。

　　一個(gè)典型的電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)由三個(gè)主要功能模塊組成：一個(gè)用于電容式感應(yīng)的模擬模塊，一個(gè)用于處理數(shù)據(jù)的控制器和一個(gè)用于與主處理器進(jìn)行通信的接口模塊。

　　電容式觸摸感應(yīng)解決方案可通過利用基于電壓變化的技術(shù)來有效實(shí)現(xiàn)，如：通過使用單片機(jī)的片上充電時(shí)間測(cè)量單元（CTMU）外設(shè)來實(shí)現(xiàn)；或者通過采用電壓分壓器（CVD）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)采用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）而無需用到任何專用的電容式觸摸感應(yīng)外設(shè)。

　　1. 利用CTMU外設(shè)實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)

　　CTMU外設(shè)是一個(gè)靈活的模擬模塊，它可與一個(gè)ADC結(jié)合使用來精確測(cè)量電容。它包含一個(gè)與此ADC通道相連的恒流源，如圖2所示。CTMU使用恒流源來計(jì)算電容的變化和不同事件間的時(shí)間差。

　　圖2:CTMU模塊結(jié)構(gòu)框圖。

　　與CVD相比，CTMU可提供更快的響應(yīng)速度，因?yàn)樗哂卸鄠€(gè)不同的電流源范圍，這將有助于以更快的速度為模擬通道充電，從而改善電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

　　CTMU外設(shè)用于電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用是利用公式I×T=C×V實(shí)現(xiàn)的。其中：I是CTMU的恒流源，T是CTMU為電容式觸摸感應(yīng)器充電的固定周期，C是電容式觸摸感應(yīng)器的電容，V是電容式觸摸感應(yīng)器電壓（通過ADC讀取）。

　　將該公式重新整理成C=（I×T）/V的形式，便可通過觀察電壓變化來檢測(cè)電容的相對(duì)變化。根據(jù)前面的公式，下面給出了檢測(cè)觸摸過程所涉及的各個(gè)步驟：將電容式觸摸感應(yīng)器（作為一個(gè)電容）連接到一個(gè)與CTMU外設(shè)和ADC多路復(fù)用的通道；最初，恒流源在一段固定的時(shí)間周期（T）內(nèi)為觸摸感應(yīng)器充電，且傳感器上的電壓（V）通過ADC測(cè)出，如圖3所示；只要因觸摸感應(yīng)器焊盤而產(chǎn)生的電容不發(fā)生變化，在連續(xù)多次測(cè)量電荷的過程中，電壓就不會(huì)發(fā)生變化。

　　圖3:CTMU的充放電波形。

　　CTMU外設(shè)中存在的恒流源，結(jié)合多通道ADC，為與電容式觸摸感應(yīng)器接口提供了有效的平臺(tái)。將CTMU外設(shè)直接連接到ADC的輸入端，使其可通過模擬多路開關(guān)連接到任何引腳。借助這種配置，單個(gè)CTMU外設(shè)可測(cè)量的傳感器個(gè)數(shù)將等于ADC通道數(shù)。

　　與電流源相關(guān)的微調(diào)位方便了校準(zhǔn)，由此便可應(yīng)對(duì)外部干擾和傳輸損耗。

　　2. 使用CVD實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)

　　電容分壓器（CVD）方法僅使用ADC并通過比較已知的固定內(nèi)部采樣保持電容和未知的可變電容式傳感器來實(shí)現(xiàn)基于電壓的測(cè)量。

　　CVD的傳感器結(jié)構(gòu)與典型的傳感器相同，傳感器是PCB上的覆銅區(qū)域或是用于傳感的類似導(dǎo)電焊盤。將傳感器直接連接到ADC通道，并通過特定方式配置ADC和I/O即可。

　　使用CVD的基本原理包括：首先，通過一個(gè)ADC通道將ADC的內(nèi)部采樣/保持電容充電至VDD.然后，將傳感器通道接地，使其處于已知狀態(tài)，如圖4所示。傳感器接地后，需將其重置為輸入。重置完成后，ADC通道立即切換至傳感器。

　　圖4:CVD結(jié)構(gòu)框圖。

　　此操作使采樣/保持電容CHOLD與傳感器電容并聯(lián)，在這兩者之間形成一個(gè)分壓器。因此，傳感器電容上的電壓與采樣/保持電容上的電壓相等。對(duì)ADC進(jìn)行采樣，其讀數(shù)表示兩個(gè)電容之比。當(dāng)手指觸摸感應(yīng)器時(shí)，傳感器的電容會(huì)增加。因此，傳感器上的電壓將降低，而ADC讀數(shù)則增大。

　　對(duì)于電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)而言，不需要一個(gè)絕對(duì)的電容讀數(shù)，因?yàn)樗械淖g碼判決均與基準(zhǔn)讀數(shù)相關(guān)。

　　開發(fā)固件以消除外部干擾

　　傳感器上的溫濕度、觸摸程度和污染物以及EMI/EMC干擾等多種因素將會(huì)導(dǎo)致電容產(chǎn)生動(dòng)態(tài)波動(dòng)，從而影響系統(tǒng)的電容式觸摸感應(yīng)性能。為了應(yīng)對(duì)這些影響，可以使用可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平均值檢測(cè)、去抖動(dòng)和動(dòng)態(tài)電平跳變的固件。這些技術(shù)將使系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

　　此外，還必須結(jié)合軟件濾波來消除傳感器焊盤上的任何殘余噪聲，以便固件能夠區(qū)分觸摸與未觸摸狀態(tài)。對(duì)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)還能檢測(cè)多個(gè)觸摸狀態(tài)，以區(qū)分有意和無意觸摸。然后，可通過校準(zhǔn)軟件來檢測(cè)觸摸，即便在電容的觸摸焊盤上有很厚的覆蓋層。

　　電容式觸摸感應(yīng)參考設(shè)計(jì)

　　圖5所示為電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用的一個(gè)參考設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)可以立即幫助用戶著手實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)與USB和LCD等其他外設(shè)接口時(shí)，也將提供極大的靈活性。此外，它還有助于減少啟動(dòng)和運(yùn)行觸摸感應(yīng)系統(tǒng)所需的周轉(zhuǎn)時(shí)間。

　　圖5：電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)。

　　參考設(shè)計(jì)中所用單片機(jī)具有13個(gè)ADC通道，因而最多可以連接13個(gè)觸摸感應(yīng)器。該設(shè)計(jì)中包含了4個(gè)電容式觸摸感應(yīng)器，分別被連接到端口A0-A3.CTMU模塊具有一個(gè)可編程的電流源，用于為電容式觸摸感應(yīng)器充電。USB插座作為一個(gè)總線供電設(shè)備來為應(yīng)用供電，它使用了片上USB引擎。當(dāng)按壓傳感器時(shí)，固件可通過在LCD模塊上顯示觸摸感應(yīng)器的相應(yīng)狀態(tài)來提供反饋信息，該LCD模塊由端口D中的引腳驅(qū)動(dòng)。此外，設(shè)計(jì)中還提供了一個(gè)6引腳的接頭，用于將參考電路板連接到硬件編程器。

　　影響有效電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)的因素

　　電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的引入為實(shí)時(shí)應(yīng)用帶來了各種挑戰(zhàn)。以下設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)可幫助減少寄生電容和增加手指電容，最終能夠確保更好的傳感器設(shè)計(jì)。

　　傳感器焊盤的大?。涸O(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，傳感器焊盤的形狀并不重要。主要關(guān)心的問題是決定靈敏度的焊盤的面積。焊盤面積越大，靈敏度越高。一般來說，該面積應(yīng)考慮為用戶手指的平均大小（15x15mm）。如果傳感器焊盤的大小大于理想值，會(huì)因?yàn)楦咏囟黾蛹纳娙荨?/p>

　　傳感器之間的間隔：應(yīng)考慮傳感器與臨近傳感器的接近程度。當(dāng)觸摸某個(gè)傳感器時(shí)，手指不僅對(duì)當(dāng)前的傳感器，而且也對(duì)其相鄰的傳感器產(chǎn)生了附加電容。因此，要隔離手指電容，相鄰傳感器之間必須留有一定空間。理想情況下，傳感器間隔應(yīng)是電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)覆蓋材料厚度的2~3倍。例如，對(duì)于一個(gè)典型的電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)來說，如果覆蓋材料的厚度為3mm，那么傳感器之間的距離應(yīng)為6mm到9mm.

　　走線長(zhǎng)度：傳感器和單片機(jī)之間的走線長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，否則受寄生電容影響的可能性就將越大。這將改變走線阻抗和影響靈敏度。理想情況下，走線長(zhǎng)度應(yīng)不超過12英寸（300mm）。

　　覆蓋材料及其厚度：所使用的覆蓋材料及其厚度將決定傳送到電容式觸摸感應(yīng)器的手指電容。所使用的覆蓋材料必須具有較大的介電常數(shù)以增加靈敏度。此外，還要保證覆蓋材料盡可能地薄。如果覆蓋材料的厚度增加，那么傳感器之間的串?dāng)_效應(yīng)將會(huì)增加。

　　接地技術(shù)：傳感方法將受傳感器與地之間的寄生電容影響。其可通過使地盡量靠近傳感器來予以克服，這將增加寄生電容而降低其對(duì)傳感器的影響。

　　選擇粘合劑：粘合劑用于將覆蓋材料固定到PCB上。所使用的粘合劑應(yīng)盡可能薄以保持較高的靈敏度。在使用粘合劑時(shí)應(yīng)小心確保其中沒有空氣泡。在使用粘合劑前應(yīng)仔細(xì)閱讀其粘合使用說明。

　　本文小結(jié)

　　觸摸感應(yīng)技術(shù)的最新發(fā)展降低了此流行用戶界面的相關(guān)成本，使其成為消費(fèi)類電子產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品及其他產(chǎn)品的理想選擇。與傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)相比，電容式觸摸感應(yīng)器的主要優(yōu)勢(shì)在于它不會(huì)像機(jī)械開關(guān)那樣，隨時(shí)間的推移而磨損。通過使用單片機(jī)的片上CTMU外設(shè)或CVD技術(shù)，設(shè)計(jì)人員便可以最少的元器件并以較低成本來實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)用戶界面。