基于中穎8位微控制器的電容式觸摸按鍵控制器

　　前言

　　在需要用戶界面的應(yīng)用方案中，傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)正在被電容式觸摸感應(yīng)控制所替代。

　　Sino wealth已經(jīng)開發(fā)了一套觸摸感應(yīng)軟件，使得任意一款8位的中穎微控制器都可以作為一個電容式觸摸按鍵控制器使用。通過對由一個電阻和觸摸電極電容組成的RC充放電時間的控制，該觸摸感應(yīng)軟件可以檢測到人手的觸摸。由于電極電容的改變，導(dǎo)致的RC充放電時間的改變，能夠被檢測出來，然后經(jīng)過濾波等，最終通過專用的I/O端口，或者I2C/SPI接口發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng)。該軟件庫所需的元器件BOM表，成本低廉，因為每個通道只需要兩個電阻就可以實現(xiàn)觸摸檢測功能

　　RC感應(yīng)原理

　　RC采樣原理就是通過測量觸摸電極電容的微小變化，來感知人體對電容式觸摸感應(yīng)器(按鍵、滾輪或者滑條)的觸摸。

　　電極電容(C)通過一個固定的電阻(R)周期性地充放電。 電容值取決于以下幾個參數(shù)：電極面積(A)，絕緣體相對介電常數(shù)，空氣相對濕度，以及兩個電極之間的距離(d)。電容值可由下列公式得出：

　　圖1:RC電壓檢測。

　　固定電壓施加在 ， 的電壓隨著電容值的變化而相應(yīng)增加或者降低， 如圖2所示。

　　圖2：測量充電時間。

　　通過計算VOUT的電壓達(dá)到閥值VTH所需要的充電時間(TC)，來得到電容值(C)。 在觸摸感應(yīng)應(yīng)用中，電容值(C)由兩部分組成：固定電容(電極電容，CX)和當(dāng)人手接觸或者靠近電極時，由人手帶來的電容(感應(yīng)電容，CT)。電極電容應(yīng)該盡可能的小，以保證檢測到人手觸摸。因為通常人手觸摸與否，帶來的電容變化一般就是幾個pF(通常5pF)。 利用該原理，就可以檢測到手指是否觸摸了電極。

　　圖3：觸摸感應(yīng)。

　　這就是用于檢測人手觸摸的觸摸感應(yīng)軟件中感應(yīng)層所采用的基本原理。

　　硬件實現(xiàn)

　　圖4顯示了一個實現(xiàn)的實例。由R1，R2以及電容電極(CX)和手指電容(CT)并聯(lián)的電容(大約5pF) 形成一個RC網(wǎng)絡(luò)，通過對該RC網(wǎng)絡(luò)充放電時間的測量，可以檢測到人手的觸摸。 所有電極共享一個“負(fù)載I/O”引腳。電阻R1和R2盡量靠近MCU放置。電容R1(阻值在幾百歐到幾兆歐之間)是主要電容，用于調(diào)節(jié)觸摸檢測的靈敏度。電容R2(10KΩ)是可選的，用于減少對噪聲影響。

　　圖4:電容觸摸感應(yīng)實現(xiàn)實例。

　　3 軟件實現(xiàn)

　　本章描述了觸摸感應(yīng)RC原理的實現(xiàn)。

　　3.1充電時間測量原理

　　為了保證健壯的電容觸摸感應(yīng)的應(yīng)用，充電時間的測量需要足夠的精確。

　　采用一個簡單的定時器(無需IC功能)和一系列簡單的軟件操作，即定時地檢查感應(yīng)I/O端口上的電壓是否達(dá)到閥值。這樣的話，時間測量的精確度就取決于執(zhí)行一次完整軟件查詢需要的CPU周期數(shù)。這種測量方法會由于多次測量帶來一些抖動，但是由于沒有硬件限制，這種方法適用于需要很多電極的場合。

　　基本測量

　　使用普通定時器進(jìn)行充電時間的測量。對電容充電開始之前，定時器的計數(shù)器數(shù)值被記錄下來。當(dāng)采樣I/O端口上的電壓達(dá)到某個閥值(VTH)時，再次記錄定時器計數(shù)器的值。二者之差就是 充電或者放電的時間。

　　圖5：定時器計數(shù)器值。

　　過采樣

　　過采樣的目的是以CPU時鐘的精度，對輸入電壓達(dá)到高電平和低電平(VIH和VIL)的時間測量。 為了跨越所有的取值范圍，每次測量都比上一次測量延遲一個CPU時鐘周期的時間。 為了跨越所有的取值范圍，測量的次數(shù)是和MCU核相關(guān)的。圖6說明了這個概念的應(yīng)用情況。

　　圖6：輸入電壓測量。

　　輸入電壓測量的原理

　　為了提高在電壓和溫度變動情況下的穩(wěn)定性，對電極會進(jìn)行連續(xù)兩次的測量：第一次測量對電容的充電時間，直到輸入電壓升至VIH。第二次測量電容的放電時間，直到輸入電壓降至VIL。下圖以及以下的表格詳細(xì)說明了對感應(yīng)電極(感應(yīng)I/O)和負(fù)載I/O引腳上的操作流程。

　　圖7：電容充放電時間測量。

　　表2 電容充放電測量步驟

　　觸摸的效果

　　電極的電容值(CX)取決于以下幾個主要因素：電極的形狀、大小，觸摸感應(yīng)控制器到電極之間的 布線(尤其是地耦合)，以及介電面板的材料和厚度。因此，RC充放電時間直接和CX有關(guān)。圖8說明了這種“觸摸的效果”。 時間(即達(dá)到了VIH電平的時刻)比長;同樣對于降至VIL電平的時間也比長。

　　圖8：觸摸效果實例。

　　多次測量以及高頻噪聲的去除

　　為了提高測量的精確度，并去除高頻噪聲，有必要對VIH和VIL進(jìn)行多次的測量，然后再決定是否有按鍵被有效“觸摸”。

　　圖9：測量的種類。

　　注意：下圖說明了去除噪聲的實例。如果測量次數(shù)(N)設(shè)置為4，那么對一個電極的完整測量將包括4次正確的“連續(xù)組測量”(BGs)。

　　這些實例展示了不同噪聲影響下的測量。綠色線條表示正確的VIH/VIL測量;而紅色線條表示不正確的VIH/VIL測量。

　　圖10 顯示了沒有噪聲的影響，所有測量都有效的情況。 這個例子中，每個連續(xù)組測量中的測量都有效，使得一個完整的測量很快就可以完成。

　　圖10：實例1。

　　圖11 顯示了有一些噪聲使得某些測量無效的情況(即r1和r2)。 在這個例子中，連續(xù)組測量BG3重復(fù)了好幾次，直到其中的所有測量都有效，該次組測量才算通過。這樣就需要較多的時間來完成一次完整的測量。

　　圖11：實例2。

　　圖12顯示了有很多噪聲，使得無效的組測量次數(shù)達(dá)到了最大限制(比如20)。這樣的話，整個電極測量都無效。這個例子中，達(dá)到了無效的組測量次數(shù)的最大限制，因此停止對該電極的測量。

　　圖12：實例3。