電容感應(yīng)觸摸技術(shù)-CapSense系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

　　摘要

　　用于 CapSense 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳實(shí)踐終于面世了。其中所涵蓋的主題包括感應(yīng)方式、布板(PCB Layout)和布局指南以及 CapSense 工具和技術(shù)概述。

　　引言

　　在便攜式媒體播放器和移動(dòng)手持終端等大容量、高可視性產(chǎn)品的應(yīng)用中，電容式感應(yīng)作為一種接口技術(shù)已被廣泛采用。此舉使更多的常規(guī)消費(fèi)類電子產(chǎn)品產(chǎn)生了對(duì)該技術(shù)的需求，進(jìn)而引起了技術(shù)的顯著創(chuàng)新和多種競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的出現(xiàn)。雖然這些技術(shù)各有千秋，但基本原理都是Sensor與其環(huán)境之間的電容變化的測(cè)量。

　　我們對(duì)可編程模塊和固定功能的 IC 進(jìn)行對(duì)比，由于可編程 IC 將可定制碼用于開發(fā)解決方案，因此它允許在設(shè)計(jì)方面具有更大的靈活性。PSoC® CapSense 將微處理器、可編程的數(shù)字和模擬源、片內(nèi)存儲(chǔ)器和其他特性相結(jié)合，從而在電容式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了最大的靈活性。本應(yīng)用手冊(cè)簡(jiǎn)要描述了用于 CapSense 設(shè)計(jì)的最佳實(shí)踐。

　　圖 1 PSoC 模擬與數(shù)字模塊可用于配置 CapSense 及其它功能

　　PSoC 架構(gòu)允許設(shè)計(jì)人員將多個(gè)電容式感應(yīng)設(shè)計(jì)元件整合到一種應(yīng)用中。比如按鈕、滑條、觸摸板和接近式感應(yīng)，在相同的電路中利用同一器件就可同時(shí)對(duì)這些元件提供支持。可使用 PSoC 來掃描電容式Sensor，并驅(qū)動(dòng) LED、控制馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器等等，如圖 2 所示。一種稱為動(dòng)態(tài)重構(gòu)的概念使 CapSense 應(yīng)用可根據(jù)需要即時(shí)進(jìn)行重新配置，從而能夠利用大于 100% 的系統(tǒng)資源。

　　圖 2 采用 CapSensePlus 技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例：采用單個(gè) PSoC還可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)、LED、以及揚(yáng)聲器等

　　1、易于配置的電容式感應(yīng)解決方案

　　PSoC 可實(shí)施不同的 CapSense 方式(見參考書目 [1])。所需的具體特性決定了感應(yīng)的方式。如果最需要的是電池使用壽命并且要在 2.7V 電壓下工作，那么CSA 的感應(yīng)方式就是最明智的選擇。但如果想擁有 CapSense 和其他特性，例如高噪聲抗擾度和厚覆蓋物，則 CSD 感應(yīng)方式就是其最佳選擇。

　　1.1. CSA 感應(yīng)方式

　　CSA 是指 CapSense 逐次逼近感應(yīng)方式，只能在 CY8C20x34 PSoC 系列器件中應(yīng)用。

　　圖 3 CSA 結(jié)構(gòu)圖

　　圖 3 顯示了 CSA的原理方框圖，其工作流程如下：

　　開關(guān) SW1 和 SW2 與 感應(yīng)電容 CX 形成了一個(gè)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以等效為電阻。通過將 iDAC 設(shè)置到校準(zhǔn)電平并使 SW1 和 SW2 切換，從而將 CMOD 上的平均電壓設(shè)定為隨 CX 值而變化的電平。另外可設(shè)置 iDAC 至低電流電平并保持 SW2 打開，使得 CMOD 上的電壓斜坡上升。在 CMOD 上用于達(dá)到 VREF 的斜坡電壓的時(shí)間表示 CX 值。在比較器輸出端的定時(shí)器可將斜坡時(shí)間轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)值。

　　在沒有手指接觸時(shí)，通過逐次逼近方式來確定需要的 iDAC 設(shè)置，從而使 CMOD 上的電壓保持在 VREF，這樣即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自校準(zhǔn)。系統(tǒng)將為所有sensor存儲(chǔ)單獨(dú)校準(zhǔn)的 iDAC 設(shè)置。

　　當(dāng)手指接觸時(shí)，CMOD 上的電壓會(huì)處于更低的電壓電平，這需要更多的時(shí)間才能達(dá)到閾值電壓 VREF，如圖 4 所示。如果 (t2-t1) 足夠長(zhǎng)，按鈕就是處于手指接觸(Finger-Present)狀態(tài)，否則按鈕就是處于手指離開(Finger-Absent)狀態(tài)。

　　高達(dá) 100 pF 的內(nèi)部可編程電容可用于 CMOD，但是更大的外部電容能夠提升性能：按鈕和滑條的電容為 1000 pF，而接近式感應(yīng)則為 10 nF。推薦將 560 歐姆的串聯(lián)電阻與所有 CapSense 輸入串聯(lián)以避免 RF 干擾。

　　圖 4 在手指離開與手指接觸的情況下，CSA 波形的變化

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　　1.2. CSD Sensing Method

　　1.2. CSD 感應(yīng)方式

　　CSD stands for CapSense with Sigma-Delta A/D. CSD is implemented in both the CY8C21x34 and CY8C24x94 PSoC device families.

　　CSD 是指 CapSense Sigma—Delta調(diào)制電容感應(yīng)，其可在 CY8C21x34 和 CY8C24x94 PSoC 系列器件中應(yīng)用。

　　Figure 5. CSD Configuration of CapSense

　　圖 5 CSD 結(jié)構(gòu)圖、

　　圖 5 顯示了 CSD的原理方框圖，其工作流程如下：

　　開關(guān) SW1 和 SW2 與 感應(yīng)電容CX 形成一個(gè)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，從而在 VDD 和 CMOD 之間具有一個(gè)等效電阻。等效電阻的值由 CX 控制。SW1 和 SW2 的開關(guān)由 PRS 生成器的偽隨機(jī)序列進(jìn)行控制。SW3 工作時(shí)與 SW1 和 SW2 不同步。將 RB 切換至接地時(shí)，CMOD 上的電壓會(huì)下降。當(dāng) RB 接通時(shí)，CMOD 上的電壓又會(huì)上升。比較器會(huì)根據(jù) CMOD 上相對(duì)于 VREF 的電壓而更改狀態(tài)。

　　可通過添加 16 位定時(shí)器形成 Sigma- Delta A/D，以測(cè)量比較器高電平持續(xù)時(shí)間至比較器低電平持續(xù)時(shí)間。

　　當(dāng)手指接觸時(shí)，CX 會(huì)變大而 VDD 的等效電阻變小，這就能允許更多電流流入 CMO。比較器將花費(fèi)更多的時(shí)間在 CMPHIGH 狀態(tài)上，而 CMPLOW 狀態(tài)的時(shí)間則會(huì)更少。如果 CMPHIGH/CMPLOW 的比率足夠高，那么按鈕就會(huì)處于手指接觸狀態(tài)，否則按鈕就會(huì)處于手指離開狀態(tài)，如圖 6 所示。

　　Figure 6. CSD Waveform Changes With Finger Absent/Present

　　圖 6 在手指接觸與手指離開的情況下，CSD 波形的變化

　　與固定時(shí)鐘源相比，PRS 更能有效降低噪聲。推薦采用 3900 pF 的 CMOD 值。RB 要求調(diào)諧至sensor以獲得最佳性能，其值大約為 5K-10K。推薦將 560 歐姆的串聯(lián)電阻與所有 CapSense 輸入串聯(lián)以避免 RF 干擾。

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　　2. How to Design CapSense Printed Circuit Boards

　　2、如何設(shè)計(jì) CapSense 印刷電路板

　　在典型 CapSense 應(yīng)用中，可通過印刷電路板 (PCB) 的布線來形成電容感應(yīng)。下列指南說明了如何設(shè)計(jì) CapSense PCB(見參考書目 [2])。

　　2.1. 布線布局指南

　　電路板面積：CapSense 所需的電路板面積只比感應(yīng)區(qū)自身稍大。Sensor周圍的電場(chǎng)非常局限，尤其將接地層和Sensor銅箔置于相同的 PCB 層上時(shí)更為如此。

　　PSoC 布局：使 PSoC 與Sensor之間的距離保持最小化是一個(gè)不錯(cuò)的做法。通常將 PSoC 與其他組件一起貼裝到底層，而將 CapSense Sensor置于頂層上。

　　板層：最常見的 PCB 為雙板層，Sensor和柵格地層位于頂層，而其他器件則處于低層。當(dāng)板區(qū)必須最小化時(shí)可采用四層板。典型的設(shè)計(jì)為處于頂層的Sensor，第 2 層走線，第 3 層為接地層，然后其他都在底層，如圖 7 所示。不要直接在Sensor下布線。

　　圖 7 板級(jí)空間有限時(shí)，CapSense 電路扳的四層布板情況

　　電路板厚度：目前發(fā)現(xiàn)基于 FR4 的設(shè)計(jì)可采用的標(biāo)準(zhǔn)電路板厚度為 0.020" (0.5mm)、0.047" (1.2 mm) 和 0.063" (1.6 mm)。那么電路板多薄才合適呢?一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則就是Sensor與接地層之間的間隙應(yīng)比其至接地層的垂直距離要小。

　　走線長(zhǎng)度和寬度：必須使走線和Sensor的寄生電容 CP 最小化以確保系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍盡可能大。那么走線到底應(yīng)該多長(zhǎng)呢?在成功的 CapSense 產(chǎn)品中，用于滑條的最長(zhǎng)走線是 9" (230 mm)，而用于按鈕的最長(zhǎng)走線是 12" (300 mm)。(這個(gè)極限值示例要求更大的Sensor和更薄的覆蓋物,以最大化來自Sensor的信號(hào)。)走線寬度將添加至Sensor CP，并且會(huì)增加耦合至其他層上的元件。0.0065" - 0.008" (0.17 - 0.20mm) 的走線寬度能滿足大多數(shù)應(yīng)用的需要。

　　過孔：應(yīng)使用最少的過孔并與 CapSense 輸入的走線保持一致以最小化 CP。可在Sensor上的任何位置進(jìn)行過孔布置，如圖 8 所示。

　　圖 8 觸摸板的過孔可以在Sensor的任何位置(底層走線、頂層Sensor)

　　通訊信號(hào)走線：電容式感應(yīng)走線不要接近或并行于高頻通訊信號(hào)走線，例如 I2C 或 SPI 主控制器。如果需要讓通訊信號(hào)走線與Sensor引腳交叉，那么應(yīng)確保二者彼此垂直。是減小通訊信號(hào)走線和Sensor走線之間交互的有效方式之一，就是通過端口分配來實(shí)現(xiàn)隔離。端口引腳 P1[0] 和 P1[1] 用于編程和 I2C，并且如果沒有其他引腳可用就應(yīng)該僅用于 CapSense。

　　鋪地層：為了使 CP 最小化，推薦在Sensor層上進(jìn)行 40% 的鋪地，而非Sensor層則進(jìn)行 60-80% 的鋪地。

　　圖 9 最小化 CP 的部分鋪地

　　覆蓋物厚度：表 1 針對(duì) PSoC CapSense 應(yīng)用(塑料覆蓋物)列出了所推薦的最大覆蓋物厚度。介電常數(shù)在確定覆蓋物厚度時(shí)起到一定的作用。普通玻璃其介電常數(shù) εr ≈8，而塑料的介電常數(shù) εr≈2.5。對(duì)于相同水平的靈敏度，根據(jù) εr /2.5 的比率就能估算出塑料覆蓋物的厚度。依據(jù)這種經(jīng)驗(yàn)法則，對(duì)于同一靈敏度的普通玻璃覆蓋物的厚度就應(yīng)大約是塑料覆蓋物厚度的三倍。

　　表 1 針對(duì)CapSense 應(yīng)用推薦使用的塑料覆蓋物的厚度

　　信號(hào)和噪聲都會(huì)受到覆蓋物屬性的影響。當(dāng)覆蓋物的厚度增加時(shí)，信號(hào)和噪聲都會(huì)減弱。其中典型的關(guān)系曲線如圖 10 所示。可將信號(hào)定義為手指接觸和手指離開狀態(tài)平均輸出中的差值。噪聲可以定義為在手指離開的狀態(tài)下輸出的峰-峰值差。

　　圖 10 隨著覆蓋物厚度的增加，信號(hào)電平開始下降

　　覆蓋物粘合劑：覆蓋物材料必須與感應(yīng) PCB 保持良好的機(jī)械接觸。3M 公司可提供兩種廣泛使用的非導(dǎo)電性粘合劑，其可用于覆蓋物 467MP 和 468MP。

　　手套：如果Sensor必須在戴手套的情況下工作，那么在設(shè)計(jì)按鈕尺寸時(shí)應(yīng)將手套材料的厚度添加到總的覆蓋物厚度中。干皮革和橡膠與塑料類似，其介電常數(shù)介于 2.5-3.5 之間?；┦痔椎慕殡姵?shù)為 2 或更小，這取決于手套絕熱的空氣含量。

　　LED 背光：CapSense 能夠與 LED 背光一起出色地工作，僅需在感應(yīng)銅箔上截一個(gè)孔并保持 LED 走線位于電路板的底層即可。

　　一個(gè) PCB 上有多個(gè) PSoC：對(duì)于擁有許多按鈕的系統(tǒng)來說，例如鍵盤，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可能要求具有兩個(gè)或多個(gè)專用于 CapSense 的 PsoC。如果情況確需如此，就應(yīng)隔開按鈕以便使鋪地從每個(gè)按鈕組的走線中獨(dú)立出來。此舉可防止獨(dú)立的 CapSense 組之間發(fā)生耦合。

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　　2.2. 按鈕

　　按鈕的功能是判斷導(dǎo)體是否存在。CapSense 按鈕的典型應(yīng)用是感知手指的觸摸。

　　形狀：用于感知手指觸摸的推薦形狀為實(shí)心圓形，如圖 11 所示。

　　圖 11 推薦使用的形狀為實(shí)心圓形

　　當(dāng)按鈕周圍的間隙增加時(shí)電容 CP 反而會(huì)降低。CP 與間隙的曲線關(guān)系示例如圖 12 所示，圖 12 還顯示了三種按鈕尺寸(直徑5mm、10mm和15mm)的情形。

　　圖 12 CP 為按鈕接地間隙與按鈕直徑的一個(gè)函數(shù) (0.062" 厚度, FR4)

　　保護(hù)性覆蓋物越厚，按鈕直徑就應(yīng)越大。圖 13 顯示了按鈕直徑的使用指南。對(duì)于 1mm 厚的有機(jī)玻璃覆蓋物，推薦的按鈕直徑是 9mm。

　　圖 13 按鈕直徑與覆蓋物厚度的關(guān)系

　　2.3. 滑條

　　滑條是一個(gè)Sensor陣列。相鄰電容元件之間的變化可用于確定導(dǎo)體的位置。通過使用中心點(diǎn)計(jì)算即可在固件中確定接觸點(diǎn)位置。

　　滑條段 (slider segment) 必須足夠小以便于多個(gè)片段能與手指接觸，如果足夠大的話，就會(huì)產(chǎn)生通過覆蓋物所需的信號(hào)電平。鋸齒形狀很適合于滑條，滑條段最好有 5 個(gè)或以上。滑條的最大長(zhǎng)度只受到 PSoC 中可用 IO 引腳的限制。典型的滑條形狀如圖 14 中所示。上面每個(gè)滑條片段的條形圖代表了Sensor輸出。

　　圖 14 使用滑條產(chǎn)生的鋸齒圖案

　　滑條復(fù)用：如果 IO 引腳數(shù)目有限，那么將兩個(gè)滑條段連接到一個(gè) PSoC 引腳上就能使 PSoC 感應(yīng)滑條段數(shù)量翻倍。CapSense 用戶模塊向?qū)еС钟脩暨x擇這種接法并將其作為引腳分配的選項(xiàng)，并且用戶模塊 API 能正確地確定手指所觸摸的半邊滑條。請(qǐng)注意，將每個(gè) CapSense 輸入引腳連接至兩個(gè)滑條片段會(huì)使 CP 翻倍，但信號(hào)不會(huì)有任何增多。

　　2.4. 觸摸板

　　CapSense 用戶模塊不直接支持觸摸板，但可將觸摸板作為兩個(gè)獨(dú)立的滑條使用。所有適用于滑條的指南同樣也適用于觸摸板。

　　圖 15 利用兩個(gè) CapSense 滑條實(shí)現(xiàn)觸摸板，一個(gè)用于 X 軸，一個(gè)用于 Y 軸

　　CapSense 觸摸板的典型示例就是有著 20列滑條(X 軸)和 10行滑條(Y 軸)的設(shè)計(jì)。總共要將 30 個(gè)引腳用于 CapSense 輸入。活動(dòng)區(qū)域的尺寸為 3.9" x 1.9" (99 mm x 47 mm)，覆蓋物為 0.010" (0.25 mm) 的 ABS 塑料層。行和列Sensor之間留有 0.2" (5 mm) 的間距?；鶞?zhǔn)線噪聲電平在手指離開狀態(tài)下是單一的計(jì)數(shù)。手指在觸摸板上會(huì)產(chǎn)生 15 個(gè)計(jì)數(shù)的差分信號(hào)，這會(huì)導(dǎo)致 24dB 的信噪比 (SNR)。設(shè)置中心點(diǎn)算法即可確定每個(gè)行對(duì)和列對(duì)之間的 20 個(gè)位置，該觸摸板系統(tǒng)的分辨率每英寸計(jì)數(shù) (CPI)為 100。

　　2.5. 接近式感應(yīng)

　　CapSense 用戶模塊不直接支持接近式感應(yīng)，但可將接近式感應(yīng)可以由大 CP 和計(jì)數(shù)差值小的 CapSense 按鈕來實(shí)現(xiàn)。專用接近式感應(yīng)的最佳實(shí)施辦法是作為單一的線路長(zhǎng)度，如圖 16 所示。把 CapSense PCB 上的按鈕和滑條連接至單一的大Sensor，這是實(shí)施接近式感應(yīng)的另外一種技術(shù)。

　　圖 16 接近式感應(yīng)原型的后視圖

　　2.6. 柔性電路

　　柔性電路能很好適用于 CapSense。在印刷電路板中提到的所有相同的指南同樣也適用于柔性電路。柔性電路通常比 PCB 要薄一些。通過使用不薄于 0.01" (0.25 mm) 的柔性電路來限定 CP，并且可將走線長(zhǎng)度限制為幾英寸。柔性電路的一個(gè)良好特性是 Kapton 材料(290 KV/mm)可提供高擊穿電壓。

　　2.7. ITO 觸摸屏

　　ITO 是銦錫氧化物的英文縮寫。這種陶瓷材料的薄膜不僅可以導(dǎo)電，而且非常透明。ITO 觸摸屏的示例如圖 17 所示。ITO 薄膜的電阻率范圍為 0.25-1000 歐姆/平方，并且其典型值介于 100-500 歐姆/平方之間。薄膜的厚度決定了電阻率。材料越薄，通過的光線就越多，其產(chǎn)生的電阻也會(huì)越大。反之，材料越厚，通過的光線就越少，其產(chǎn)生的電阻也會(huì)越小。

　　觸摸屏可運(yùn)行于電阻式或電容式下。兩種模式都有其適合市場(chǎng)。電阻式要求存在壓力以使導(dǎo)電層保持接觸，更容易磨損和破裂。這種模式是一種具有較差透明度(<75%)的四層板解決方案。電容式可使用手指作為導(dǎo)體。該模式是一種具有較高透明度(>90%)的單層板或雙層板解決方案。賽普拉斯能同時(shí)支持這兩種觸摸屏技術(shù)。

　　圖 17 ITO 觸摸屏

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　　3. 從概念到生產(chǎn)：CapSense 工具和技術(shù)

　　3.1. 評(píng)估板和示例

　　圖 18 CY3212-CapSense 培訓(xùn)評(píng)估板

　　如圖 18 所示，CY3212 板是一款用于 CapSense 應(yīng)用開發(fā)的評(píng)估板。應(yīng)用固件上寫有“C”字樣。通用功能庫(kù)使得項(xiàng)目開發(fā)就和寫入幾行代碼一樣的簡(jiǎn)單。

　　此處的代碼示例其目的是要求在一個(gè)按鈕陣列中掃描兩個(gè)Sensor并將結(jié)果保存到 I2C 陣列中。

　　代碼 1

　　3.2. 基準(zhǔn)線技術(shù)

　　Baseline是用于 CapSense 測(cè)量的參考線。每個(gè)電容式Sensor都有其自身的基準(zhǔn)線。對(duì)電容式Sensor數(shù)據(jù)來說，Baseline就是一種基準(zhǔn)線，這些數(shù)據(jù)可通過 CapSense 用戶模塊的基準(zhǔn)線進(jìn)行比較、計(jì)算得出?？蒊IR低通濾波器來處理原始計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，如圖 19 所示。例如手指接觸和手指離開狀態(tài)，都是基于基準(zhǔn)線建立的參考電平。

　　圖 19 Baseline就是 CapSense 數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)線，該數(shù)據(jù)不斷更新

　　3.3. 環(huán)境影響

　　溫度和濕度：溫度和濕度都會(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)線計(jì)數(shù)隨時(shí)間漂移。CapSense 用戶模塊具有從 -40ºC 到 +85ºC 的特征，如圖 20 所示。由基準(zhǔn)線所追溯的趨勢(shì)可自動(dòng)補(bǔ)償溫度和濕度所造成的不良影響。

　　圖 20 混度變化(原始計(jì)數(shù)會(huì)隨溫度漂移，濕度也具有相似的影響)

　　水：當(dāng)覆蓋物上出現(xiàn)霧狀沉淀或者有小水滴濺到Sensor上時(shí)，CapSense 仍然能夠可靠運(yùn)行。可通過靈巧的機(jī)械設(shè)計(jì)來處理有水情況。設(shè)計(jì)Sensor時(shí)使其垂直或保持一定角度以使水能迅速流出表面;并且在Sensor外面區(qū)域的覆蓋物上增加溝槽以幫助水分流掉。另外，還使按鈕突出以防止水坑的形成。

　　CapSense 在置于水中或持續(xù)的水流流經(jīng)Sensor的情況下， 將無法正常工作。

　　3.4. 功耗和休眠

　　電池使用壽命以毫安/小時(shí)表示。平均電流越低，CapSense 工作時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)(見參考書目 [3])。可對(duì) PSoC 進(jìn)行編程以使其具有不同的功耗模式。

　　在連續(xù)觸摸按鈕時(shí)，處于快速響應(yīng)模式。

　  經(jīng)過一段時(shí)間沒有動(dòng)作時(shí)，處于省電且緩慢響應(yīng)的模式。

　  長(zhǎng)時(shí)間沒有動(dòng)作時(shí)，處于深度休眠模式。

　　與其他電容感應(yīng)解決方案相比，PSoC 的優(yōu)勢(shì)之一是其可編程性。用戶可根據(jù)需要，使 CapSense 進(jìn)入省電模式。CapSense 按鈕的響應(yīng)速度非常之快，每掃描一次按鈕僅需 200 微秒。可將這種高掃描速度與低休眠電流相結(jié)合以獲得很低的平均電流。CapSense 系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例是處于省電且緩慢響應(yīng)模式時(shí)，可每 100 毫秒對(duì)三個(gè)按鈕掃描一次，而其消耗的平均電流不足 50 μA。

　　3.5. 噪聲過濾

　　通過傳導(dǎo)和輻射源會(huì)將噪聲引入到 CapSense 系統(tǒng)中。傳導(dǎo)性噪聲可通過電源和信號(hào)線路進(jìn)入系統(tǒng)。蜂窩電話或熒光燈鎮(zhèn)流器之類的輻射源可通過空氣引入噪聲。當(dāng)這兩種類型的噪聲都存在時(shí)，固件中的過濾技術(shù)可用于增大 CapSense 系統(tǒng)的信噪比 (SNR)。PsoC 僅僅需要幾行代碼就能夠?qū)嵤〧IR 和 IIR 數(shù)字濾波器。

　　FIR 濾波器：與電源線路噪聲的頻率相比，手指觸按事件的頻率會(huì)偏低。在此情況下，低通濾波器 (LPF) 就成為一種非常高效的噪聲過濾解決方案。FIR LPF 可定義如下：

　　y = ( x1 + x2 + … + xN ) / N (1)

　　每個(gè)噪聲周期會(huì)對(duì)原始計(jì)數(shù)采樣 N 次。N 個(gè)采樣可根據(jù)公式 (1) 結(jié)合到一起。在 50 Hz 的噪聲環(huán)境下，采樣周期必須為 18 ms/N。FIR 濾波器的性能會(huì)隨著 N 的次數(shù)增加而提高，因此只要系統(tǒng)允許就應(yīng)使 N 值盡可能大。

　　IIR 濾波器：FIR 濾波器在這方面的不足之處是它需要采用比 IIR 更高階的濾波器才能獲得相同的結(jié)果。這也許會(huì)使我們難以調(diào)節(jié)采樣速率以使其與噪聲周期相吻合。因此在某些時(shí)候，對(duì) LPF 來說，IIR 濾波器是更為合適的選擇。表 2 對(duì) FIR 濾波器和 IIR 濾波器進(jìn)行了具體比較。

　　表 2 低通濾波器 FIR 與 IIR 的比較

　　3.6. RF 抗干擾性考慮因素

　　RF 可干擾任何電容感應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括 CapSense(見參考書目 [4])。在電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高的地方，RF 干擾會(huì)導(dǎo)致誤判的按鈕觸摸事件，或者妨礙了真正的按鈕觸摸感應(yīng)。蜂窩電話就是很好的例子，其將 RF 發(fā)送器和按鈕近距離地有意結(jié)合到一起。

　　從發(fā)送器開始超過 1/6 波長(zhǎng)距離的電場(chǎng)強(qiáng)度可通過公式(2)近似得出。

　 E [伏特/米]=電場(chǎng)

　 P [dBm] =供給天線的 RF 功率

　 D[英寸]=天線至感應(yīng)Sensor的距離

　　對(duì)于在 +28 dBm (0.6W) 功率下發(fā)射信號(hào)的 800 MHz 蜂窩電話，距離天線3"的電場(chǎng)可估算出大約為 60 V/m。

　　圖 21 顯示了在 RF 干擾情況下的等效電路，例子中采用經(jīng)過配置的 PSoC 來運(yùn)行 CapSense 內(nèi)部的二極管以保護(hù) PSoC 免受 ESD 事件影響，最高可達(dá) 2 KV。

　　圖 21 PSoC 輸入端的二極管可提供 ESD 保護(hù)

　　走線的諧振效應(yīng)可形成接收器天線。四分之一波長(zhǎng)的走線就是一款高效的天線。圖 22 顯示了四分之一波長(zhǎng)的天線與頻率的關(guān)系曲線。

　　圖 22 四分之一波長(zhǎng)的走線就是一款高效的天線

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　　對(duì)于低電平的 RF 信號(hào)，CapSense 電路不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)字輸出有任何的影響，因?yàn)榈碗娖降?RF 信號(hào)看起來像是背景噪聲，因而系統(tǒng)往往會(huì)忽略這種噪聲。當(dāng) RF 功率增加時(shí)，CapSense 計(jì)數(shù)會(huì)偏移恒定的數(shù)量，該數(shù)量可通過干擾的功率電平進(jìn)行設(shè)定。RF 信號(hào)為交流信號(hào)，但是由于 CapSense 輸入端上二極管的作用使得對(duì) CapSense 計(jì)數(shù)的影響卻是直流信號(hào)。計(jì)數(shù)中的正漂移可導(dǎo)致誤判的按鈕觸摸事件，而負(fù)偏移則會(huì)妨礙感應(yīng)到真正的按鈕觸摸。CapSense 用戶模塊的手指和噪聲閾值允許在計(jì)數(shù)中存在小偏移，在此情況下仍可正常工作。對(duì)于高電平的 RF 干擾，就需要采用其他的測(cè)量辦法。以下是兩種可用的解決方案：