咨詢應(yīng)用工程師：電容傳感器用于電子設(shè)備的人機(jī)接口

問(wèn)：什么是電容傳感器？

A：電容傳感器在物體或某人接近或觸摸傳感器時(shí)檢測(cè)電容的變化。該技術(shù)已在工業(yè)應(yīng)用中使用多年，以測(cè)量液位、濕度和材料成分。一種被廣泛使用的較新的應(yīng)用程序是在人機(jī)界面中。機(jī)械按鈕、開(kāi)關(guān)和緩動(dòng)輪長(zhǎng)期以來(lái)一直被用作用戶和機(jī)器之間的接口。然而，由于它們的許多缺點(diǎn)，界面設(shè)計(jì)師越來(lái)越多地尋找更可靠的解決方案。電容式傳感器可以以與按鈕相同的方式使用，但它們也可以具有更大的多功能性，例如，在實(shí)現(xiàn) 128 位置滾動(dòng)條時(shí)。

ADI公司現(xiàn)已提供專為在人機(jī)界面應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)電容檢測(cè)而設(shè)計(jì)的集成電路。例如，AD7142和AD7143分別可以激勵(lì)和響應(yīng)多達(dá)14個(gè)和<>個(gè)電容傳感器。它們?yōu)殡娙輦鞲衅魈峁┘?lì)，感測(cè)由用戶接近引起的電容變化，并提供數(shù)字輸出。

問(wèn)：電容感應(yīng)如何工作？

答：基本傳感器包括接收器和發(fā)射器，每個(gè)接收器和發(fā)射器都由在印刷電路板（PCB）層上形成的金屬走線組成。如圖1所示，AD714x具有片內(nèi)激勵(lì)源，該激勵(lì)源連接到傳感器的發(fā)送器走線。在接收器和發(fā)射器走線之間，形成電場(chǎng)。大部分磁場(chǎng)集中在傳感器PCB的兩層之間.然而，條紋電場(chǎng)從發(fā)射器延伸到PCB之外，并終止于接收器。接收器的場(chǎng)強(qiáng)由片內(nèi)Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量。當(dāng)人手侵入邊緣場(chǎng)時(shí)，電氣環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，一部分電場(chǎng)被分流到地上，而不是終止于接收器。由此產(chǎn)生的電容降低 - 與大部分電場(chǎng)的皮法法相比，飛法量級(jí) - 由轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到。

圖1.感應(yīng)電容。

一般來(lái)說(shuō)，電容檢測(cè)解決方案有三個(gè)部分，全部由ADI公司提供。

驅(qū)動(dòng)器IC提供激勵(lì)、電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器和補(bǔ)償電路，以確保在所有環(huán)境中獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

傳感器 - 具有走線圖案的 PCB，例如按鈕、滾動(dòng)條、滾輪或某種組合。走線可以是銅、碳或銀，而 PCB 可以是 FR4、柔性、PET 或 ITO。

主機(jī)微控制器上的軟件，用于實(shí)現(xiàn)串行接口和設(shè)備設(shè)置，以及中斷服務(wù)例程。對(duì)于滾動(dòng)條和滾輪等高分辨率傳感器，主機(jī)運(yùn)行軟件算法以實(shí)現(xiàn)高分辨率輸出。按鈕不需要軟件。

圖2.三部分電容檢測(cè)解決方案。

問(wèn)：電容式傳感的優(yōu)點(diǎn)是什么？

答：電容傳感器比機(jī)械傳感器更可靠，原因有很多。沒(méi)有移動(dòng)部件，因此傳感器沒(méi)有磨損，傳感器由覆蓋材料保護(hù)，例如 MP3 播放器的塑料蓋。人類從不與傳感器直接接觸，因此可以將其密封，遠(yuǎn)離灰塵或溢出物。這使得電容傳感器特別適用于需要定期清潔的設(shè)備（因?yàn)閭鞲衅鞑粫?huì)被刺激性研磨清潔劑損壞）以及手持設(shè)備，其中意外溢出的可能性不可忽略。

問(wèn)：請(qǐng)?jiān)敿?xì)介紹AD714x IC的工作原理。

答：這些電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器專為人機(jī)界面應(yīng)用中的電容檢測(cè)而設(shè)計(jì)。這些器件的核心是一個(gè)16位Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC），它將容性輸入信號(hào)（由開(kāi)關(guān)矩陣路由）轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在片內(nèi)寄存器中。片內(nèi)激勵(lì)源為250 kHz方波。

主機(jī)通過(guò)串行接口讀取結(jié)果。AD7142，提供SPI或I級(jí)器件?2C 兼容接口，具有 14 個(gè)電容輸入引腳。AD7143及其?2C 接口，具有 8 個(gè)電容輸入引腳。串行接口以及中斷輸出允許器件輕松連接到任何系統(tǒng)中的主機(jī)微控制器。

圖3.AD7142原理框圖

這些器件可連接多達(dá) 14 個(gè)外部電容傳感器，這些傳感器排列為按鈕、條形、輪子或傳感器類型的組合。外部傳感器由直接與IC接口的2層或4層PCB上的電極組成。

通過(guò)對(duì)片上寄存器進(jìn)行編程，可以將這些器件設(shè)置為與任何一組輸入傳感器接口。寄存器還可以編程以控制每個(gè)外部傳感器的平均值和失調(diào)調(diào)整等功能。片內(nèi)時(shí)序控制器控制每個(gè)電容輸入的輪詢方式。

AD714x還包括片內(nèi)數(shù)字邏輯和528字RAM，用于環(huán)境補(bǔ)償。濕度、溫度和其他環(huán)境因素會(huì)影響電容傳感器的操作;因此，對(duì)用戶透明地，設(shè)備執(zhí)行連續(xù)校準(zhǔn)以補(bǔ)償這些影響，始終提供無(wú)差錯(cuò)的結(jié)果。

AD714x的主要特性之一是靈敏度控制，它為每個(gè)傳感器賦予不同的靈敏度設(shè)置，控制用戶觸摸的柔和或硬度才能激活傳感器。這些獨(dú)立的激活閾值設(shè)置決定了傳感器何時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)，在考慮不同尺寸傳感器的操作時(shí)至關(guān)重要。例如，一個(gè)應(yīng)用程序有一個(gè)直徑為 10 毫米的大按鈕和一個(gè)直徑為 5 毫米的小按鈕。用戶希望兩者都以相同的觸摸壓力激活，但電容與傳感器面積有關(guān)，因此較小的傳感器需要更硬的觸摸才能激活它。最終用戶不必比另一個(gè)按鈕更用力地按下一個(gè)按鈕才能獲得相同的效果，因此為每個(gè)傳感器提供獨(dú)立的靈敏度設(shè)置可以解決此問(wèn)題。

問(wèn)：如何考慮環(huán)境？

答：AD714x連續(xù)測(cè)量傳感器的電容電平。當(dāng)傳感器不工作時(shí)，測(cè)量的電容值存儲(chǔ)為環(huán)境值。當(dāng)用戶靠近或觸摸電容傳感器時(shí)，測(cè)得的電容會(huì)減小或增加。閾值電容電平存儲(chǔ)在片內(nèi)寄存器中。當(dāng)測(cè)得的電容值超過(guò)上限或下限閾值時(shí)，傳感器被視為活動(dòng)狀態(tài)（如圖4所示），中斷輸出被置位。

圖4.傳感器激活。

圖4顯示了環(huán)境電容值不變的理想情況。實(shí)際上，由于溫度和濕度的變化，環(huán)境電容會(huì)不斷且不可預(yù)測(cè)地變化。如果環(huán)境電容值變化足夠大，則會(huì)影響傳感器激活。在圖5中，環(huán)境電容值增加;傳感器 1 正確激活，但當(dāng)用戶嘗試激活傳感器 2 時(shí)，會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。環(huán)境值增加了，因此傳感器2測(cè)量的電容變化不足以使該值低于下限閾值。無(wú)論用戶做什么，傳感器 2 現(xiàn)在都無(wú)法激活，因?yàn)樵谶@種情況下，其電容不能降低到下限閾值以下。更糟糕的可能性是環(huán)境電容水平繼續(xù)增加，直到超過(guò)上限閾值。在這種情況下，傳感器 1 將變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)，即使用戶尚未激活它，它將保持活動(dòng)狀態(tài)（傳感器將被“卡住”），直到環(huán)境電容下降。

圖5.通過(guò)改變環(huán)境電容激活傳感器。

片內(nèi)邏輯電路可處理環(huán)境電容電平變化的影響。如圖6所示，閾值水平不是恒定的;它們跟蹤環(huán)境電容電平的任何變化，與環(huán)境電平保持固定距離，以確保用戶激活引起的電容變化始終足以超過(guò)閾值水平。閾值電平由片內(nèi)邏輯自動(dòng)調(diào)整，并存儲(chǔ)在片內(nèi)RAM中。不需要來(lái)自用戶或主機(jī)處理器的輸入。

圖6.具有自動(dòng)自適應(yīng)閾值的傳感器激活。

問(wèn)：電容感應(yīng)是如何應(yīng)用的？

答：如前所述，傳感器走線可以是任意數(shù)量的不同形狀和大小。按鈕、滾輪、滾動(dòng)條、操縱板和觸摸板形狀可以作為跡線布置在傳感器 PCB 上。圖7顯示了電容傳感器布局的選擇。

傳感器圖7.電容傳感器的選擇。

設(shè)計(jì)人員可以使用許多實(shí)現(xiàn)用戶界面的選項(xiàng)，從簡(jiǎn)單地用電容式按鈕傳感器替換機(jī)械按鈕，到通過(guò)使用具有八個(gè)輸出位置的手柄或提供 128 個(gè)輸出位置的滾輪來(lái)消除按鈕。

使用單個(gè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)的傳感器數(shù)量取決于所需的傳感器類型。AD7142具有14個(gè)電容輸入引腳和12個(gè)轉(zhuǎn)換通道。AD7143具有<>個(gè)電容輸入和<>個(gè)轉(zhuǎn)換通道。下表顯示了每種傳感器類型所需的輸入引腳和轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)?？梢越M合任意數(shù)量的傳感器，直至達(dá)到可用輸入和通道數(shù)量所確定的限制。

以“循環(huán)”方式對(duì)所有連接的傳感器按順序進(jìn)行測(cè)量。但是，所有傳感器都可以在36毫秒內(nèi)測(cè)量，基本上可以同時(shí)檢測(cè)每個(gè)傳感器的狀態(tài)，因?yàn)橛脩粜枰浅？斓臅r(shí)間才能在40毫秒內(nèi)激活或停用傳感器。

問(wèn)：您可以為首次使用的用戶提供哪些設(shè)計(jì)幫助？

答：ADI公司為電容傳感器設(shè)計(jì)人員提供了大量資源。設(shè)計(jì)過(guò)程的第一步是確定應(yīng)用中需要哪些類型的傳感器。用戶是否需要快速掃描長(zhǎng)列表，例如聽(tīng)筒上的聯(lián)系人或 MP3 播放器上的歌曲？如果是這樣，請(qǐng)考慮使用滾動(dòng)條或滾輪來(lái)允許用戶快速有效地瀏覽這些列表。用戶是否需要控制光標(biāo)在屏幕上移動(dòng)？X-Y 游戲手柄非常適合此應(yīng)用程序。一旦所需傳感器的類型、數(shù)量和尺寸固定好，就可以開(kāi)始傳感器PCB設(shè)計(jì)了。

作為可用于電容感測(cè)的設(shè)計(jì)資源的一部分，可在線獲取 Mentor Graphics PAD 布局庫(kù)。該庫(kù)中有許多不同類型和尺寸的傳感器作為組件提供，可以直接拖放到PCB布局中。該庫(kù)可作為觸摸控制器系統(tǒng)框圖的交互式部分提供。此外，還提供AN-854，這是一份應(yīng)用筆記，提供了有關(guān)如何使用傳感器庫(kù)快速布置所需傳感器的詳細(xì)信息、提示和技巧。

設(shè)計(jì)PCB時(shí)，將AD7142或AD7143與傳感器放在同一電路板上，以最大程度地減少因連接器移動(dòng)和電容變化而導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤的可能性。其他元件、LED、連接器和其他 IC， 例如， 可以與電容傳感器放在同一個(gè) PCB 上， 但傳感器 PCB 必須粘合或粘在覆蓋材料上以防止傳感器上方的氣隙， 因此在 PCB 上放置任何其他組件都必須考慮到這一點(diǎn).

對(duì)于關(guān)注RF噪聲的應(yīng)用，可以使用RC濾波器來(lái)最大程度地減少對(duì)傳感器的干擾。在傳感器周圍使用接地層也將最大限度地減少任何干擾。

PCB可以有兩層或四層。當(dāng)傳感器有效區(qū)域之外沒(méi)有空間在IC和傳感器之間布線時(shí)，必須使用4層設(shè)計(jì)，但如果有足夠的布線空間，則可以使用2層設(shè)計(jì)。傳感器走線和電容輸入引腳之間允許的最大距離為 10 cm，但一個(gè)傳感器在一個(gè)方向上可以距引腳 10 cm，而另一個(gè)傳感器可以在相反方向上與引腳相距 10 cm，從而允許傳感器之間保持 20 cm。

問(wèn)：我的傳感器PCB已經(jīng)準(zhǔn)備好了，現(xiàn)在怎么辦？

答：眾所周知，電容難以仿真，因此必須表征每種應(yīng)用中的傳感器響應(yīng)，以確保AD7142/AD7143的設(shè)置針對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行最佳設(shè)置。每個(gè)應(yīng)用只需進(jìn)行一次表征過(guò)程，然后對(duì)每個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品使用相同的設(shè)置值。

傳感器在應(yīng)用中具有特性。這意味著任何覆蓋材料都必須在傳感器頂部就位，并且任何其他可能影響傳感器性能的PCB或組件都必須在傳感器周圍就位。

對(duì)于每個(gè)轉(zhuǎn)化渠道，我們需要配置：

來(lái)自設(shè)備 C 的內(nèi)部連接在轉(zhuǎn)換器的輸入引腳。這可確保每個(gè)傳感器使用一個(gè)轉(zhuǎn)換通道連接到轉(zhuǎn)換器。

傳感器偏移值，轉(zhuǎn)換為 C 的偏移散裝.這是與限制在PCB內(nèi)，發(fā)射器和接收器電極之間的電場(chǎng)相關(guān)的電容。當(dāng)傳感器處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該值不會(huì)改變，而是為測(cè)量條紋電容值提供恒定的偏移。

上限和下限失調(diào)寄存器的初始值。片內(nèi)邏輯使用這些值來(lái)確定每個(gè)傳感器的激活閾值。

執(zhí)行特性鑒定的最簡(jiǎn)單方法是將傳感器PCB連接到AD7142/AD7143評(píng)估板（ADI公司提供）。評(píng)估板上的微控制器和軟件可用于表征傳感器響應(yīng)并保存設(shè)置值。

問(wèn)：我可以期待什么樣的回應(yīng)？

答：傳感器的實(shí)際響應(yīng)由傳感器從非活動(dòng)變?yōu)榛顒?dòng)時(shí)轉(zhuǎn)換器的輸出變化定義。此更改將取決于傳感器的面積 - 傳感器面積越大，傳感器處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)的變化就越大。傳感器響應(yīng)還取決于覆蓋材料的厚度——如果它非常厚（4 毫米或更大），傳感器響應(yīng)將最小。原因是電場(chǎng)不會(huì)穿透非常厚的覆蓋材料，因此用戶將無(wú)法將足夠的磁場(chǎng)分流到地面以產(chǎn)生較大的響應(yīng)。圖8是按鈕傳感器的典型傳感器響應(yīng)。在這種情況下，它顯示了傳感器活動(dòng)和非活動(dòng)傳感器之間大約 250 LSB 的變化。

圖8.按鈕傳感器的典型響應(yīng)。

問(wèn)：你提到了軟件？

答：主機(jī)處理器與AD7142/AD7143之間的交互由中斷驅(qū)動(dòng)。主機(jī)實(shí)現(xiàn)串行接口，SPI 或 I2C. 當(dāng)觸摸傳感器時(shí)，AD7142/AD7143將中斷主機(jī)。然后，主機(jī)可以從片內(nèi)寄存器回讀數(shù)據(jù)。如果傳感器是按鈕或其他簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)型傳感器，則主機(jī)只需從片上狀態(tài)寄存器中讀回;活動(dòng)按鈕導(dǎo)致在狀態(tài)寄存器中設(shè)置位。但是，如果傳感器具有高分辨率輸出，則必須在主機(jī)中斷例程中運(yùn)行軟件算法來(lái)處理AD7142/AD7143數(shù)據(jù)。

該代碼免費(fèi)提供給與ADI公司簽署許可協(xié)議的客戶。對(duì)于滾動(dòng)條，代碼通常占用 500 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 8k 字節(jié)的代碼存儲(chǔ)器。對(duì)于滾輪，代碼通常占用 600 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 10k 字節(jié)的代碼存儲(chǔ)器。

ADI公司提供用C代碼編寫(xiě)的示例驅(qū)動(dòng)器，用于基本配置、按鈕傳感器和使用SPI和I的8路開(kāi)關(guān)2C 兼容接口。簽署軟件許可證后，可提供滾輪和滾動(dòng)條的示例驅(qū)動(dòng)程序。

問(wèn)：組裝成品的想法？

答：傳感器PCB和覆蓋材料或產(chǎn)品外殼之間不允許有氣隙，因?yàn)橛幸粋€(gè)氣隙會(huì)導(dǎo)致更少的電場(chǎng)延伸到塑料以上，從而降低傳感器響應(yīng)。此外，塑料或其他覆蓋材料可能會(huì)在接觸時(shí)彎曲，導(dǎo)致用戶與可變電場(chǎng)相互作用，并導(dǎo)致非線性傳感器響應(yīng)。因此， 傳感器PCB應(yīng)粘在覆蓋材料上，以防止形成任何氣隙.

此外，傳感器周圍不能有漂浮的金屬。需要 5 厘米的“禁止”距離?？拷鼈鞲衅鞯慕饘賾?yīng)接地超過(guò) 5 厘米，但不能有靠近傳感器的金屬超過(guò) 0.2 毫米。

最后，覆蓋傳感器有效區(qū)域的塑料應(yīng)約為2毫米厚。較大的傳感器區(qū)域應(yīng)使用較厚的塑料;可以支持高達(dá)4毫米的塑料厚度。

結(jié)論

電容式傳感器是用于人機(jī)界面的新興技術(shù)，正迅速成為一系列不同產(chǎn)品和設(shè)備的首選技術(shù)。電容式傳感器為各種便攜式和消費(fèi)類產(chǎn)品提供創(chuàng)新且易于使用的接口。它們易于設(shè)計(jì)，使用標(biāo)準(zhǔn)的 PCB 制造技術(shù)，比機(jī)械開(kāi)關(guān)更可靠.它們使工業(yè)設(shè)計(jì)師可以自由地專注于造型，因?yàn)樗麄冎离娙輦鞲衅骺梢砸揽克鼇?lái)提供適合設(shè)計(jì)的高性能接口。設(shè)計(jì)人員可以從ADI公司的IC技術(shù)和產(chǎn)品組合中受益，以及專業(yè)知識(shí)以及可用的硬件和軟件工具，從而盡可能簡(jiǎn)單快速地設(shè)計(jì)引入電容傳感器。

審核編輯：郭婷