MCU電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)原理詳解

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觸摸按鍵現(xiàn)在越來越流行了，很多家具家電都帶有這個(gè)功能。

早期，觸摸芯片是一種功能單一的專用芯片，現(xiàn)在很多MCU都帶有觸摸功能。

本文就結(jié)合瑞薩MCU（比如RL78/G23、RX140、RX130、RA2L1、RA2E1等多個(gè)系列）給大家講講MCU電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)原理，它們通過硬件實(shí)現(xiàn)了第二代瑞薩電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)（簡(jiǎn)稱CTSU2）。

CTSU2除了支持Button、Slider、Wheel等傳統(tǒng)的觸摸方式之外，還能夠執(zhí)行觸控界面的接近式傳感、快速并行掃描、自動(dòng)掃描、多電極連接，從而實(shí)現(xiàn)觸摸板、3D手勢(shì)識(shí)別等高級(jí)應(yīng)用。

下面簡(jiǎn)要介紹瑞薩電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)CTSU2的自容式和互容式檢測(cè)原理。

自容式

1、自容式概述

圖1-1所示為電極中產(chǎn)生的自電容。自電容式按鍵中連接到電容傳感器的單個(gè)電極將測(cè)量電容量C。C的值是由電極及其周圍導(dǎo)體形成的寄生電容Cp和由電極及手指形成的寄生電容Cf的復(fù)合值。電容的大小可以通過電容方程式計(jì)算（參見Note部分）。由于周圍的器件是靜態(tài)的，因此Cp是常量，但Cf會(huì)隨著手指的靠近而增加。通過設(shè)置Cf增加量的閾值，可以確定觸摸按鍵是處于“打開”還是“關(guān)閉”狀態(tài)。請(qǐng)注意，如果手指直接接觸電極，則會(huì)導(dǎo)致電極短路，并且無法再測(cè)量電容。通常，電極和手指之間有幾毫米厚的覆蓋面板。

Note

C：電容，ε：相對(duì)介電常數(shù)，S：電極的正對(duì)面積，d：電極間距

圖1-1 電極中產(chǎn)生的自電容示意圖

2、CTSU2自容式檢測(cè)原理

圖1-2所示為自電容方式的CTSU2內(nèi)部配置概覽。CTSU2輸出一個(gè)與所連接電極的電容量C成正比的數(shù)字計(jì)數(shù)值，并通過軟件確定觸摸按鍵是處于“打開”還是“關(guān)閉”狀態(tài)。連接到CTSU2時(shí)，電極會(huì)充當(dāng)由傳感器驅(qū)動(dòng)脈沖控制的開關(guān)電容，并從充放電電流來估測(cè)C的電容。CTSU2測(cè)量模塊具有電流-頻率轉(zhuǎn)換功能，輸入與充放電電流等效的電流，并輸出與電流量成比例的頻率。

圖1-2 自電容CTSU2內(nèi)部配置概覽

圖1-3所示為CTSU2測(cè)量結(jié)果的示意圖。當(dāng)傳感器驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的一個(gè)周期比C充放電時(shí)間短且充放電不足時(shí)，則沒有足夠的電流流向C，因此計(jì)數(shù)值小于理想值。當(dāng)寄生電容很大時(shí)，可以通過降低傳感器驅(qū)動(dòng)脈沖頻率來進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)傳感器驅(qū)動(dòng)脈沖頻率降低時(shí)，CTSU2可測(cè)量的最大值為50pF。請(qǐng)注意，當(dāng)傳感器驅(qū)動(dòng)脈沖頻率降低時(shí)，電流-頻率轉(zhuǎn)換功能在單位時(shí)間內(nèi)的測(cè)量次數(shù)也會(huì)減少，電極的靈敏度也可能會(huì)降低?？梢酝ㄟ^調(diào)整CTSU2中的寄存器設(shè)定值來增加單位時(shí)間，但完成測(cè)量所需的時(shí)間也會(huì)增加。在設(shè)計(jì)電容式電極電路時(shí)，必須均衡考慮按鍵靈敏度、測(cè)量時(shí)間和抗噪性等條件。

圖1-3 CTSU2測(cè)量結(jié)果示意圖

自容式

1、互容式概述

互電容方式中的按鍵電極具有優(yōu)異的防水性能、支持矩陣結(jié)構(gòu)，以及許多其他自電容所不具備的功能。然而，互電容需要復(fù)雜的按鍵電極配置和布線，使得靈敏度調(diào)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)布局圖案時(shí)，必須考慮每種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，與自電容方式不同，當(dāng)面板厚度低于指定水平時(shí)，靈敏度會(huì)降低。在確定面板厚度時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮按鍵電極配置。

圖2-1所示為電極中產(chǎn)生的互電容?；ル娙莘绞降奶匦允莾蓚€(gè)不同導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生寄生電容Cm?；ル娙菔桨存I包括連接到電容傳感器的兩個(gè)電極，即接收器電極RX和發(fā)射器電極TX。Tx受到脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，電荷也在Cm中積累。當(dāng)手指接近電極時(shí)，手指與電極之間會(huì)產(chǎn)生寄生電容Cf，Cm和Cf并聯(lián)。由于Tx的驅(qū)動(dòng)能量是恒定的，因此電荷量不會(huì)改變。因此，Cm和Cf上的電荷消除后，Cm電荷也會(huì)減少。通過設(shè)置Cf增加量的閾值，可以確定觸摸按鍵是處于“打開”還是“關(guān)閉”狀態(tài)。請(qǐng)注意，如果手指直接接觸電極，則會(huì)導(dǎo)致電極短路，并且無法再測(cè)量電容。通常，電極和手指之間有幾毫米厚的覆蓋面板。

圖2-1 互電容電極示意圖

2、CTSU互電容方式檢測(cè)原理圖1-2所

圖2-2所示為互電容方式的CTSU內(nèi)部配置概覽。CTSU輸出與連接到電極的Rx和Tx的互電容成反比的數(shù)字計(jì)數(shù)，并通過軟件判斷觸摸按鍵是處于“打開”還是“關(guān)閉”狀態(tài)。為測(cè)量所連接的兩個(gè)電極上存在的電容Cm，CTSU通過反轉(zhuǎn)脈沖輸出和開關(guān)電容之間的相位關(guān)系來獲得Cm，同時(shí)測(cè)量?jī)纱巫噪娙?，然后通過軟件計(jì)算兩個(gè)值的差值。

圖2-2 互電容方式的內(nèi)部配置概覽

審核編輯：湯梓紅