電容式接近感應(yīng)技術(shù)在智能手機(jī)中的新型應(yīng)用 - 全文

　　紅外（IR）接近傳感器目前被廣泛的應(yīng)用于智能手機(jī)中來防止通話時(shí)用戶臉部造成的觸摸屏誤觸，同時(shí)降低功耗。IR傳感器具有探測距離遠(yuǎn)，反映速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是其昂貴的成本和復(fù)雜苛刻的裝配要求，促使手機(jī)廠商尋求成本更低、結(jié)構(gòu)簡單的方案。電容式接近感應(yīng)在白色家電、智能家居等領(lǐng)域的普及，為手機(jī)接近感應(yīng)方案提供了一種有效的思路。本文提出了一種基于電容變化的手機(jī)接近感應(yīng)方案，給出了具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)和控制要點(diǎn)。此方案已經(jīng)成功地應(yīng)用到知名品牌的手機(jī)產(chǎn)品中，取得了很好的效果。

　　一 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　電容式接近傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制器通過電極檢測物體靠近手機(jī)時(shí)引起的電容值變化，一旦電容值變化超過控制器程序中設(shè)定的閾值，控制器便會(huì)向手機(jī)處理器發(fā)出中斷信號(hào)， 如果此時(shí)手機(jī)正處于通話模式，主機(jī)將關(guān)閉LCD顯示和觸摸屏等部件，實(shí)現(xiàn)降低功耗和避免誤觸等目的。

　　電極負(fù)責(zé)探測電容變化，其設(shè)計(jì)質(zhì)量很大程序上決定了系統(tǒng)的整體性能。電極本質(zhì)上就是一塊平面導(dǎo)體，可以是FPC上的一塊銅皮，也可以是電容觸摸屏上的一塊ITO薄膜。

　　圖2給出的ITO薄膜電極的設(shè)計(jì)示例。電極的尺寸直接影響接近感應(yīng)的探測距離。在其他設(shè)計(jì)不變時(shí)，探測距離隨電極尺寸的增大而增大。電極在外形上要盡量圓滑，避免出現(xiàn)直角或者銳角，而且電極要盡量完整。在手機(jī)應(yīng)用中，電極通常采用矩形來最大化感應(yīng)面積，此時(shí)需要注意圓弧化電極的拐角。電極應(yīng)該放在FPC或者ITO薄膜貼近觸摸屏的一側(cè)，而且背面的另一側(cè)通常需要騰空。電極背面對(duì)應(yīng)的手機(jī)前殼區(qū)域應(yīng)當(dāng)避免有大面積的金屬，否則會(huì)影響探測距離。電極周邊需要鋪設(shè)地線來增強(qiáng)電容基準(zhǔn)，屏蔽噪聲，并且提高感應(yīng)方向的直線性。電極和地線的間距建議為0.5mm到1mm， 地線的寬度根據(jù)具體情況而定，建議不小于1mm。電極到芯片的引線應(yīng)該盡量短且細(xì)，以減少寄生電容和耦合噪聲。

　　影響系統(tǒng)性能的另一個(gè)主要因素是控制器。我們選用了賽普拉斯（Cypress）公司具有全新Quitezone技術(shù)的可編程CapSense控制器CY8C20055。 Quitezone技術(shù)提供了無與倫比的抗輻射和傳導(dǎo)噪聲的能力，并且具有超低功耗，很適合在手機(jī)等移動(dòng)終端中使用。該技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最佳的信噪比（SNR），在高噪聲的環(huán)境中也可以通過Cypress已獲專利的CapSense Sigma-Delta （CSD） Plus算法實(shí)現(xiàn)低至0.1pF的電容變化檢測，非常適合應(yīng)用于接近感應(yīng)。另外，CY8C20055采用SmartSense自動(dòng)調(diào)教技術(shù)，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償運(yùn)行時(shí)的環(huán)境變化，從而保證性能的穩(wěn)定性和通道之間的一致性。

　　二 硬件電路

　　本文設(shè)計(jì)的電容式接近感應(yīng)的電路圖如圖3所示。CY8C20055的外圍電路很簡單，最小配置只需要2個(gè)電容 — 調(diào)制電容C1和去耦電容C2。

　　在此電路中，芯片的PIN 3連接到電極來采集電容信號(hào)，推薦在連線靠近芯片處串聯(lián)一個(gè)典型值為560歐姆的電阻，來抑制RF噪聲。手機(jī)等移動(dòng)產(chǎn)品都需要通過嚴(yán)格的ESD測試，由于電極的位置在手機(jī)上部，距離手機(jī)邊緣、聽筒、耳機(jī)插孔等很近（圖2），而且電極面積相對(duì)較大，ESD電弧很容易在經(jīng)過這些開孔或者縫隙進(jìn)入手機(jī)后耦合到電極上，對(duì)芯片管腳施加較大的電沖擊，存在損壞管腳的風(fēng)險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)在靠近芯片一側(cè)添加了TVS之類的ESD防護(hù)元件來保護(hù)芯片，需要注意的是所選TVS器件的自身電容不能太大。CY8C20055提供I2C或者SPI接口與主機(jī)進(jìn)行通訊。本設(shè)計(jì)中，主機(jī)可以通過I2C總線來配置感應(yīng)參數(shù)、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉或喚醒芯片等等，也可以進(jìn)行芯片程序（Firmware）的在線升級(jí)。

　　在PCB或者FPC布局時(shí)，調(diào)制電容和去耦電容需要盡量貼近芯片管腳。在走線時(shí)，主要注意避免電極引線和I2C信號(hào)線、電源線平行，如果無法避免，應(yīng)該在走線中間加入地線作為隔離。

　　三 控制器內(nèi)部邏輯

　　本文的電容式智能手機(jī)接近感應(yīng)方案是電容檢測技術(shù)在賽普拉斯PSoC（Programmable System on Chip）平臺(tái)上的新型應(yīng)用。PSoC技術(shù)是在一個(gè)MCU內(nèi)核周圍集成了可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列，利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字塊資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。一個(gè)PSoC器件最多可集成上百種外設(shè)功能，從而幫助客戶節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和板上面積，降低了功耗和系統(tǒng)成本。

　　整個(gè)系統(tǒng)的工作過程如圖4所示。程序控制CSD模塊對(duì)電容信號(hào)進(jìn)行采樣和ADC轉(zhuǎn)換，然后通過數(shù)字濾波器對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行過濾和處理，同時(shí)由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)判斷輸出接近感應(yīng)的狀態(tài)，由中斷信號(hào)或者I2C/SPI接口通知手機(jī)處理器。下面來介紹一下整個(gè)系統(tǒng)主要模塊的功能。

　　CSD模塊

　　CSD是指CapSense Sigma-Delta調(diào)制電容感應(yīng)。圖5顯示了CSD的原理框圖。

　　開關(guān)電容在Ph1和Ph2相位的時(shí)候分別接到Vdd和VA，所以我們可以把它看作一個(gè)等效電阻，等效電阻Req通過Vdd對(duì)調(diào)制電容Cmod進(jìn)行充電。當(dāng)Cmod的電壓達(dá)到比較器的參考電壓Vref時(shí)，比較器觸發(fā)放電電阻Rb對(duì)調(diào)制電容放電。當(dāng)調(diào)制電容上的電壓下降到Vref以下時(shí)，放電電阻Rb被斷開，此時(shí)繼續(xù)對(duì)調(diào)制電容進(jìn)行充電。如此循環(huán)充放電使得調(diào)制電容上的電壓抑制在比較器參考電壓Vref附近上下浮動(dòng)。同時(shí)比較器會(huì)輸出一組比特流，這組比特流與PWM相與之后便可得到傳感電容的大小，如圖6所示。

　　傳感電容的增加會(huì)使得等效電阻降低，充電電流增加，這樣就會(huì)使充電時(shí)間縮短。充電時(shí)間的縮短會(huì)使占空比提升，如圖7所示。
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　　數(shù)字濾波

　　接近感應(yīng)要求控制器能夠檢測到穩(wěn)定的小信號(hào)來提高探測距離，因此控制器需要設(shè)置足夠長的采樣周期來提高信號(hào)幅度，同時(shí)也需要設(shè)置較低的觸發(fā)閾值來提高靈敏度。靈敏度的提高意味著系統(tǒng)更容易受到噪聲的干擾。因此，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的信噪比，本文對(duì)原始信號(hào)依次使用了三種有效的軟件濾波方法：中值濾波、均值濾波和IIR數(shù)字濾波，來濾除噪聲。

　　1.中值濾波器

　　對(duì)于瞬間出現(xiàn)的單點(diǎn)或連續(xù)幾點(diǎn)的噪聲，中值濾波器可以很好的進(jìn)行過濾。圖8為一個(gè)三階的中值濾波器?？梢钥闯鯬3點(diǎn)會(huì)在采樣后，被中值濾波器濾掉。在接近感應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于采樣速率較快往往會(huì)出現(xiàn)這樣的噪點(diǎn)，中值濾波器可以很好的進(jìn)行過濾，同時(shí)中值濾波器的輸出信號(hào)也會(huì)使得后面的均值濾波器以及IIR數(shù)字濾波器的輸入信號(hào)更加穩(wěn)定。普通的n階中值濾波器的時(shí)間復(fù)雜度約等于n*n，所以其階數(shù)不宜過高，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的噪聲情況進(jìn)行合理選擇。

　　圖9對(duì)比了實(shí)際采集的電容變化信號(hào)在使用中值濾波器前后的差異。紅色為使用中值濾波器前的信號(hào)，藍(lán)色為經(jīng)過中值濾波器（三階）的信號(hào)。

　　2.均值濾波器

　　均值濾波器則采用了對(duì)一組采樣數(shù)據(jù)取平均值得方法來提高信噪比。均值濾波器會(huì)使信號(hào)的幅值更加穩(wěn)定，也就會(huì)使IIR數(shù)字濾波器的輸入更加穩(wěn)定，相位偏差更小。但均值濾波器階數(shù)的增加會(huì)使得接近感應(yīng)的檢測響應(yīng)時(shí)間增加。圖10對(duì)比了信號(hào)在使用均值濾波器前后的差異。紅色為使用均值濾波器前的信號(hào)，藍(lán)色為經(jīng)過均值濾波器（四階）的信號(hào)。

　　
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　　3.IIR數(shù)字濾波器

　　IIR數(shù)字濾波器具有反饋，一般認(rèn)為是無限的脈沖響應(yīng)。同時(shí)IIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度很高，但相位不是線性的。也就是說在使用IIR數(shù)字濾波器的時(shí)候會(huì)使信號(hào)更加平滑，但同時(shí)會(huì)帶來延時(shí)，造成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有所下降。圖11描述了IIR數(shù)字濾波器的原理。

　　IIR數(shù)字濾波器在接近感應(yīng)的應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)榻咏袘?yīng)需要極高的靈敏度，所以信號(hào)需要十分的穩(wěn)定和平滑。盡管IIR數(shù)字濾波器會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)造成一些延時(shí)，但由于資源的限制，軟件濾波只能采用這種方式。在圖11中，yn = a * yn-1 b * xn，對(duì)于系數(shù)a和b的選擇，本文經(jīng)過了大量的數(shù)據(jù)仿真，還在此基礎(chǔ)上使用了Cypress專利，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)a和b，使得整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)得到了明顯的降低。

　　圖12對(duì)比了信號(hào)在使用IIR數(shù)字濾波器前后的差異。紅色為使用IIR數(shù)字濾波器前的信號(hào)，藍(lán)色為經(jīng)過IIR數(shù)字濾波器的信號(hào)。從圖中可以明顯地看出，經(jīng)過IIR數(shù)字濾波器后的信號(hào)變得更加平滑，但同時(shí)也產(chǎn)生了一定的延時(shí)。

　　信號(hào)處理

　　在處理信號(hào)的過程中，為了保證更大的信噪比，需要處理好信號(hào)與噪聲，圖13列出了信號(hào)與噪聲。同時(shí)為了保證信號(hào)能夠適應(yīng)溫度等外界條件的變化，在信號(hào)處理中引入了基線這一機(jī)制。所有的信號(hào)都是以基線為基準(zhǔn)，同時(shí)基線隨著外部環(huán)境的變化進(jìn)行更新。更新的原則是，當(dāng)信號(hào)小于噪聲的水平時(shí)，基線進(jìn)行更新，一旦信號(hào)大于噪聲的水平，基線便不再更新。

　　狀態(tài)判斷

　　在距離感應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于不同客戶有著不同的需求，所以在對(duì)于整個(gè)狀態(tài)機(jī)的處理需要遵循幾個(gè)原則：1. 保證檢測的可靠性。2. 在各種限定條件下保證檢測成功率最高。3. 盡量短的響應(yīng)時(shí)間。

　　總結(jié)

　　本文設(shè)計(jì)的電容式接近感應(yīng)探測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于調(diào)試和量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在探測距離、反應(yīng)速度、穩(wěn)定性等方面也具有較高的性能。該設(shè)計(jì)在知名客戶的智能手機(jī)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，探測距離接近17mm， 響應(yīng)速度的典型值是70ms， 并且通過了嚴(yán)格的ESD、EMC、溫度等測試，實(shí)現(xiàn)了客戶替換IR傳感器的目標(biāo)。