CapSense觸摸感應(yīng)技術(shù)的基本原理及應(yīng)用

CapSense觸摸感應(yīng)技術(shù)是Cypress半導(dǎo)體使用CY8C21x34系列PSoC芯片開(kāi)發(fā)的、用于觸摸式按鍵、觸摸式滾動(dòng)條（Slider）、觸摸式平板（Touchpad）的觸摸感應(yīng)技術(shù)。它利用PSoC的CY8C21x34系列芯片一些特有的資源，根據(jù)電容感應(yīng)的原理和松弛震蕩器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)。區(qū)別于其他觸摸感應(yīng)技術(shù)，CapSense技術(shù)具有幾乎不需要外圍元件，每一個(gè)按鍵的靈敏度可單獨(dú)調(diào)整，一個(gè)芯片可同時(shí)實(shí)施觸多個(gè)觸摸式按鍵和觸摸式滾動(dòng)條等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诟鞣N家電產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輕觸按鍵和薄膜鍵盤(pán)。同樣它也非常適合在時(shí)尚的手機(jī)上使用。本文介紹CapSense技術(shù)的基本原理以及它在手機(jī)中的應(yīng)用。

一、 CapSense技術(shù)的基本原理

CapSense技術(shù)是根據(jù)電容感應(yīng)的原理和松弛震蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)。我們知道PCB板上相鄰的導(dǎo)線或銅箔之間存在寄生電容Cp。當(dāng)有手指接近或觸摸銅箔時(shí)，相當(dāng)于附加了兩個(gè)電容，這兩個(gè)電容等效于并聯(lián)在Cp上的一個(gè)電容Cf。如果在手指與銅箔之間有不導(dǎo)電的介質(zhì)，它將影響Cf。介質(zhì)越厚、介質(zhì)的介電常數(shù)εr越小，對(duì)它的影響就越大。為了檢測(cè)Cp和Cp的變化Cf我們用圖3所示的電路對(duì)其實(shí)施操作。圖中左半面是一個(gè)松弛震蕩器，它的工作過(guò)程是這樣的：使用恒流源以iCHARGE電流對(duì)Cp充電，當(dāng)Cp上的電壓上升并剛好超過(guò)比較器的反向輸入端的電壓VBG（1.3V）時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)到高電平，控制復(fù)位開(kāi)關(guān)閉合，Cp迅速放電到零。比較器翻轉(zhuǎn)恢復(fù)到低電平，恒流源以iCHARGE電流再對(duì)Cp充電… 這個(gè)過(guò)程周而復(fù)始，形成震蕩。而震蕩的周期近似于充電的時(shí)間為：

tCHARGE=CpVBG/iCHARGE

圖中右半面是一個(gè)間隔計(jì)數(shù)器。它由一個(gè)8位的PWM和一個(gè)16位的定時(shí)器組成。它實(shí)施一段時(shí)間間隔（PWM的Duty）里16位的定時(shí)器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)。PWM的輸入來(lái)自比較器的輸出，16位的定時(shí)器被設(shè)置成捕捉定時(shí)器，它的輸入來(lái)自系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK。當(dāng)PWM進(jìn)入Duty狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)16位的定時(shí)器工作，當(dāng)PWM的Duty狀態(tài)結(jié)束時(shí)捕捉16位的定時(shí)器的計(jì)數(shù)。這個(gè)計(jì)數(shù)的值為：

n = NPERIODS.tCHARGE.SYSCLK

其中NPERIODS為當(dāng)PWM為Duty狀態(tài)時(shí)松弛震蕩器的震蕩次數(shù)，它的值被設(shè)置成PWM的周期值減2。將tCHARGE=CpVBG/iCHARGE代入上式有：

n = NPERIODS.CpVBG.SYSCLK/iCHARGE

當(dāng)其他值都被固定以后n和Cp有唯一確定的關(guān)系。如果有手指觸摸時(shí)，Cp將變化到Cp+Cf，而n將由n1變化到n2：

⊿n = n2 – n1

當(dāng)⊿n大于預(yù)先設(shè)定的閥值時(shí)，就可以表明有手指觸摸。圖4是無(wú)手指觸摸和有手指觸摸對(duì)應(yīng)松弛震蕩器的波形和PWM及定時(shí)器計(jì)數(shù)值變化的示意圖。

二．CapSense技術(shù)的實(shí)施

CapSense所需要的資源包括松弛震蕩器和間隔定時(shí)器全部都被包含在PSoC芯片里，芯片外圍不需要任何元件。為了實(shí)施CapSense，PSoC的集成開(kāi)放環(huán)境（IDE）Designer4.2已經(jīng)為CY8C21x34芯片 建立了CSR模塊，通過(guò)對(duì)CSR模塊的硬件配置和函數(shù)的調(diào)用可以來(lái)實(shí)施CapSense。

1. CSR模塊的配置

在IDE的器件編輯狀態(tài)，選擇并放置CSR模塊后，激活CSR模塊導(dǎo)向器（圖4），在CSR模塊導(dǎo)向器中可以設(shè)置多少個(gè)觸摸按鍵以及每一個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng)的管腳；也可以同時(shí)設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)滾動(dòng)條（Slider）以及滾動(dòng)條由幾個(gè)感應(yīng)塊組成和它們所對(duì)應(yīng)的管腳。滾動(dòng)條的分辨率可以大于組成它按鍵的個(gè)數(shù)，它也在這里被設(shè)定。

在模塊的參數(shù)設(shè)置窗口，可以設(shè)置CSR模塊的工作模式（周期或頻率）、手指信號(hào)的閥值、噪聲信號(hào)的閥值、基本線修正的速率和抗ESD信號(hào)的周期。當(dāng)所有設(shè)置完成以后，點(diǎn)擊Generate Device Application按鈕，即可自動(dòng)生成CSR模塊有關(guān)的程序供用戶程序調(diào)用。

2. 幾個(gè)關(guān)鍵函數(shù)的調(diào)用

下面是CSR模塊的幾個(gè)關(guān)鍵函數(shù)：

void CSR_Start（）；

void CSR_Stop（）；

CSR_SetDacCurrent（BYTE bValue， BYTE bRange）；

CSR_SetScanSpeed（BYTE bDivider）；

void CSR_StartScan（bStrtSw， bSwCnt， bMode）；

BYTE CSR_GetScanStatus（）；

BYTE CSR_iReadSwitch（Byte bSwitch）；

CSR_bUpdateBaseline（bSwGroup）；

BYTE CSR_bGetCentroidPos（bSwGroup）；

CSR_Start和CSR_Stop分別是啟動(dòng)和停止CSR模塊。CSR_SetDacCurrent用于設(shè)定給Cp充電的恒流源的大小，bValue， bRange參數(shù)用于分兩級(jí)設(shè)定恒流源的值。CSR_SetScanSpeed用于設(shè)置PWM的周期值，其參數(shù)bDivider的值減2為PWM的Duty值。上面兩個(gè)函數(shù)的參數(shù)的調(diào)整可以調(diào)節(jié)觸摸按鍵和觸摸滾動(dòng)條的靈敏度和掃描周期。CSR_StartScan用于啟動(dòng)掃描，bStrtSw， bSwCnt， bMode參數(shù)分別用于設(shè)置第一個(gè)掃描的鍵的鍵號(hào)、順序掃描鍵的個(gè)數(shù)和掃描的方式，掃描的方式有單次掃描和連續(xù)掃描兩種方式。？CSR_GetScanStatus函數(shù)返回掃描的狀態(tài)，CSR_iReadSwitch函數(shù)得到掃描的結(jié)果即定時(shí)器的計(jì)數(shù)值。

CSR_bUpdateBaseline是一個(gè)重要而有多種功能的函數(shù)。對(duì)于每一個(gè)觸摸感應(yīng)鍵，都有一個(gè)Baseline用于跟蹤在沒(méi)有手指觸摸時(shí)的定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，它是通過(guò)將每一次掃描得到的定時(shí)器的計(jì)數(shù)值做IIR濾波并符合有關(guān)條件后才作修正。作為差值比較的基準(zhǔn)線，每一次掃描得到的定時(shí)器的計(jì)數(shù)值都要和它比較得到差值，該差值再和手指信號(hào)的閥值比較以判定有無(wú)手指觸摸。參數(shù)bSwGroup可選0，1和2，表明本次調(diào)用是修正觸摸按鍵還是第一或第二滾動(dòng)條。返回值是0或1，表明無(wú)或有手指觸摸。除了實(shí)施以上功能外，該函數(shù)還要完成峰值檢測(cè)和ESD檢測(cè)。用于提高測(cè)試的性能。

3．手指在滾動(dòng)條上的定位

滾動(dòng)條通常被做成鋸齒排列，每一個(gè)鋸齒條對(duì)應(yīng)一個(gè)感應(yīng)塊，當(dāng)手指觸摸滾動(dòng)條或在其上移動(dòng)時(shí)，某一時(shí)刻會(huì)有幾個(gè)連續(xù)的感應(yīng)塊被感應(yīng)（如圖6），手指中間對(duì)應(yīng)的感應(yīng)塊感應(yīng)量最大，兩邊順序遞減。這就可以用重心法來(lái)確定手指在滾動(dòng)條上的位置，式（2）是

中心法的計(jì)算公式。用這種方式定位的同時(shí)也可以提高定位的精度，CSR模塊允許滾動(dòng)條的最大分辨率是（滾動(dòng)條上感應(yīng)塊數(shù)-1）*15.94。分辨率的提高使它可以應(yīng)用在需要高分辨率的場(chǎng)合。函數(shù)CSR_bGetCentroidPos（bSwGroup）用于計(jì)算手指在滾動(dòng)條上的定位并返回定位值。bSwGroup選擇1（第一個(gè)滾動(dòng)條）和2（第二個(gè)滾動(dòng)條）。

三．手機(jī)中使用CapSense技術(shù)

CapSense技術(shù)由于它的許多優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被使用在手機(jī)上。在手機(jī)上觸摸按鍵可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輕觸按鍵，滾動(dòng)條可以用于調(diào)節(jié)音量或在菜單上移動(dòng)光標(biāo)。由于沒(méi)有機(jī)械的動(dòng)作和位移，觸摸式按鍵和滾動(dòng)條的壽命要更長(zhǎng)久，同時(shí)這種方式也給手機(jī)的外形和工業(yè)設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的想象空間和發(fā)揮余地，使手機(jī)變得更時(shí)尚。但區(qū)別于其他應(yīng)用，CapSense技術(shù)在手機(jī)中使用有其特點(diǎn)需要特別關(guān)注。

手機(jī)的按鍵通常比較小，所以有一些用于感應(yīng)手指的銅箔面積會(huì)很小，這將影響手指感應(yīng)的靈敏度。所以一般要求，感應(yīng)面上的覆蓋層應(yīng)盡量薄，覆蓋層的厚度可以控制在0.2~1.5mm以?xún)?nèi)。而覆蓋層的材料應(yīng)盡量選擇介電常數(shù)比較高的塑料、聚酯或有機(jī)玻璃等等。在印制板上，感應(yīng)手指的銅箔面積應(yīng)盡量做大，而用于投射背光的孔應(yīng)盡量小。印制板上的鋪地應(yīng)放在底層并用30~60%網(wǎng)格作為鋪地。以確保每一個(gè)感應(yīng)塊有合適的Cp和足夠的靈敏度。

手機(jī)采用電池供電，待機(jī)時(shí)間是手機(jī)重要的技術(shù)指標(biāo)之一。待機(jī)時(shí)，PSoC芯片可以通過(guò)SLEEP方式降低功耗。SLEEP降低功耗有兩種方式：IDLE方式和深度SLEEP方式。前者利用PSoC的SLEEP定時(shí)器在設(shè)定的一段時(shí)間內(nèi)（如125mS）自動(dòng)喚醒PSoC后掃描所有感應(yīng)塊一次，如果沒(méi)有任何觸摸，則再次進(jìn)入SLEEP。否則，激活PSoC。這種方式是采用間歇掃描方式來(lái)降低待機(jī)時(shí)的平均功耗，適用按鍵比較少的情況。后者是SLEEP定時(shí)器自動(dòng)喚醒PSoC后檢查由主控端通過(guò)I/O口設(shè)定的電平信號(hào)，以決定是繼續(xù)SLEEP還是激活PSoC。這種方式可使待機(jī)時(shí)的PSoC功耗下降到4uA?？蛇m用對(duì)功耗要求很高的手機(jī)。

手機(jī)在撥打電話時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的射頻信號(hào)。這種射頻信號(hào)對(duì)CapSense會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾和影響。它必須通過(guò)硬件和軟件兩方面采取措施加以解決。硬件采取的措施包括芯片和地線合理的布局、芯片上未使用的管腳必須接地、在感應(yīng)PCB的背面使用錫箔加以屏蔽，必要的時(shí)候可以在一些輸入管腳上和I2C輸入端串接300~500歐姆的電阻。軟件上采取的措施主要是對(duì)明顯異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并加以篩選和濾波。

ESD測(cè)試是手機(jī)必須測(cè)試的項(xiàng)目，通常在手機(jī)上它要求能承受10KV以上的靜電沖擊。CapSense 技術(shù)采用電容感應(yīng)原理，還是有可能受到靜電的干擾。靜電對(duì)CapSense的干擾通常有其明顯的特征，在CSR模塊中，函數(shù) CSR_bUpdateBaseline（bSwGroup）已經(jīng)對(duì)受典型的靜電干擾數(shù)據(jù)實(shí)施了過(guò)濾和處理。并有過(guò)濾的參數(shù)可供用戶選擇。硬件上也可以采取一些措施可以有效地防止靜電干擾。如按鍵周?chē)梢栽O(shè)置接地環(huán)路；提高面板和外殼的密封程度。連接器地線的可靠連接；保證靜電有有效的釋放路徑。

四、結(jié)束語(yǔ)

CapSense觸摸感應(yīng)技術(shù)是一種有效而易于使用的觸摸感應(yīng)技術(shù)。它所提供的CSR模塊包括硬件構(gòu)造和軟件API函數(shù)，使用戶很容易上手。它不僅可以用于按鍵的觸摸感應(yīng)，同時(shí)也可以用于滾動(dòng)條的觸摸感應(yīng)應(yīng)用，相關(guān)API函數(shù)可以直接給出手指在觸摸區(qū)的鍵值和在觸摸滾動(dòng)條上的位置值。由于CSR模塊是可構(gòu)造硬件和軟件的結(jié)合，使得它在鍵的數(shù)量、靈敏度的調(diào)節(jié)、滾動(dòng)條的選擇與否等方面給用戶很大的靈活性和空間。它的外圍元件極少，充分體現(xiàn)了PSoC芯片的優(yōu)勢(shì)，降低了用戶的系統(tǒng)成本。