文/Nithin Kumar Mada, Harsha Jagadish
觸摸感應按鍵因其易于使用、美觀且不涉及機械運動而在日常的人機界面應用中得以普及，尤其是電容式觸摸感應技術可以通過標準PCB設計中的銅焊盤來實現，因而相比其他技術更受歡迎。
本文將對電容式觸摸感應技術及其實現的基本原理進行簡要概述。文中將會介紹如何利用CVD(電容分壓器)技術和一個稱為充電時間測量單元(CTMU)的單片機外設來實現具有最少外部元器件的低成本電容式觸摸感應設計，還將給出一個參考設計來說明如何用電容式觸摸感應按鍵來替代機械開關。
近來，電容式感應滾輪在許多設備中所獲得的成功使得此項技術比起其他觸摸感應技術更有優勢。
電容式觸摸感應的原理
當任何具有電容特性的物體(例如手指)接觸電容式觸摸感應器時，都將因其介電特性而充當另一電容。這將改變系統的有效電容，從而以此檢測觸摸動作。
如圖1所示，手指充當其中一個平行極板，而另一個平行極板則連接到芯片的傳感器輸入端。人體血液中的鐵質將產生一組電容，這些電容附著于體表。當這一電容組接近導體時，將會產生一個實質上耦合到地的電容，在確定觸摸時它將反映為測量電壓的變化。
一個典型的電容式觸摸感應系統由三個主要功能模塊組成：一個用于電容式感應的模擬模塊，一個用于處理數據的控制器和一個用于與主處理器進行通信的接口模塊。
電容式觸摸感應解決方案可通過利用基于電壓變化的技術來有效實現，如：通過使用單片機的片上充電時間測量單元(CTMU)外設來實現；或者通過采用電壓分壓器(CVD)技術來實現，該項技術采用了模數轉換器(ADC)而無需用到任何專用的電容式觸摸感應外設。
1、利用CTMU外設實現電容式觸摸感應
CTMU外設是一個靈活的模擬模塊，它可與一個ADC結合使用來精確測量電容。它包含一個與此ADC通道相連的恒流源，如圖2所示。CTMU使用恒流源來計算電容的變化和不同事件間的時間差。
與CVD相比，CTMU可提供更快的響應速度，因為它具有多個不同的電流源范圍，這將有助于以更快的速度為模擬通道充電，從而改善電容式觸摸感應系統的響應時間。
CTMU外設用于電容式觸摸感應應用是利用公式I×T=C×V實現的。其中：I是CTMU的恒流源，T是CTMU為電容式觸摸感應器充電的固定周期，C是電容式觸摸感應器的電容，V是電容式觸摸感應器電壓(通過ADC讀取)。
將該公式重新整理成C=(I×T)/V的形式，便可通過觀察電壓變化來檢測電容的相對變化。根據前面的公式，下面給出了檢測觸摸過程所涉及的各個步驟：將電容式觸摸感應器(作為一個電容)連接到一個與CTMU外設和ADC多路復用的通道；最初，恒流源在一段固定的時間周期(T)內為觸摸感應器充電，且傳感器上的電壓(V)通過ADC測出，如圖3所示；只要因觸摸感應器焊盤而產生的電容不發生變化，在連續多次測量電荷的過程中，電壓就不會發生變化。
CTMU外設中存在的恒流源，結合多通道ADC，為與電容式觸摸感應器接口提供了有效的平臺。將CTMU外設直接連接到ADC的輸入端，使其可通過模擬多路開關連接到任何引腳。借助這種配置，單個CTMU外設可測量的傳感器個數將等于ADC通道數。
與電流源相關的微調位方便了校準，由此便可應對外部干擾和傳輸損耗。
2、使用CVD實現電容式觸摸感應
電容分壓器(CVD)方法僅使用ADC并通過比較已知的固定內部采樣保持電容和未知的可變電容式傳感器來實現基于電壓的測量。
CVD的傳感器結構與典型的傳感器相同，傳感器是PCB上的覆銅區域或是用于傳感的類似導電焊盤。將傳感器直接連接到ADC通道，并通過特定方式配置ADC和I/O即可。
使用CVD的基本原理包括：首先，通過一個ADC通道將ADC的內部采樣/保持電容充電至VDD。然后，將傳感器通道接地，使其處于已知狀態，如圖4所示。傳感器接地后，需將其重置為輸入。重置完成后，ADC通道立即切換至傳感器。
此操作使采樣/保持電容CHOLD與傳感器電容并聯，在這兩者之間形成一個分壓器。因此，傳感器電容上的電壓與采樣/保持電容上的電壓相等。對ADC進行采樣，其讀數表示兩個電容之比。當手指觸摸感應器時，傳感器的電容會增加。因此，傳感器上的電壓將降低，而ADC讀數則增大。
對于電容式觸摸感應技術而言，不需要一個絕對的電容讀數，因為所有的譯碼判決均與基準讀數相關。
開發固件以消除外部干擾
傳感器上的溫濕度、觸摸程度和污染物以及EMI/EMC干擾等多種因素將會導致電容產生動態波動，從而影響系統的電容式觸摸感應性能。為了應對這些影響，可以使用可實現動態平均值檢測、去抖動和動態電平跳變的固件。這些技術將使系統更加穩健。
此外，還必須結合軟件濾波來消除傳感器焊盤上的任何殘余噪聲，以便固件能夠區分觸摸與未觸摸狀態。對算法進行設計還能檢測多個觸摸狀態，以區分有意和無意觸摸。然后，可通過校準軟件來檢測觸摸，即便在電容的觸摸焊盤上有很厚的覆蓋層。
電容式觸摸感應參考設計
圖5所示為電容式觸摸感應應用的一個參考設計，這一設計可以立即幫助用戶著手實現電容式觸摸感應系統。此設計在實現與USB和LCD等其他外設接口時，也將提供極大的靈活性。此外，它還有助于減少啟動和運行觸摸感應系統所需的周轉時間。
參考設計中所用單片機具有13個ADC通道，因而最多可以連接13個觸摸感應器。該設計中包含了4個電容式觸摸感應器，分別被連接到端口A0-A3。CTMU模塊具有一個可編程的電流源，用于為電容式觸摸感應器充電。USB插座作為一個總線供電設備來為應用供電，它使用了片上USB引擎。當按壓傳感器時，固件可通過在LCD模塊上顯示觸摸感應器的相應狀態來提供反饋信息，該LCD模塊由端口D中的引腳驅動。此外，設計中還提供了一個6引腳的接頭，用于將參考電路板連接到硬件編程器。
影響有效電容式觸摸感應設計的因素
電容式觸摸感應技術的引入為實時應用帶來了各種挑戰。以下設計注意事項可幫助減少寄生電容和增加手指電容，最終能夠確保更好的傳感器設計。
傳感器焊盤的大小：設計電容式傳感器時，傳感器焊盤的形狀并不重要。主要關心的問題是決定靈敏度的焊盤的面積。焊盤面積越大，靈敏度越高。一般來說，該面積應考慮為用戶手指的平均大小(15x15mm)。如果傳感器焊盤的大小大于理想值，會因為更接近地而增加寄生電容。
傳感器之間的間隔：應考慮傳感器與臨近傳感器的接近程度。當觸摸某個傳感器時，手指不僅對當前的傳感器，而且也對其相鄰的傳感器產生了附加電容。因此，要隔離手指電容，相鄰傳感器之間必須留有一定空間。理想情況下，傳感器間隔應是電容式觸摸感應系統覆蓋材料厚度的2～3倍。例如，對于一個典型的電容式觸摸感應設計來說，如果覆蓋材料的厚度為3mm，那么傳感器之間的距離應為6-9mm。
走線長度：傳感器和單片機之間的走線長度不能太長，否則受寄生電容影響的可能性就將越大。這將改變走線阻抗和影響靈敏度。理想情況下，走線長度應不超過12英寸(300mm)。
覆蓋材料及其厚度：所使用的覆蓋材料及其厚度將決定傳送到電容式觸摸感應器的手指電容。所使用的覆蓋材料必須具有較大的介電常數以增加靈敏度。此外，還要保證覆蓋材料盡可能地薄。如果覆蓋材料的厚度增加，那么傳感器之間的串擾效應將會增加。
接地技術：傳感方法將受傳感器與地之間的寄生電容影響。其可通過使地盡量靠近傳感器來予以克服，這將增加寄生電容而降低其對傳感器的影響。
選擇粘合劑：粘合劑用于將覆蓋材料固定到PCB上。所使用的粘合劑應盡可能薄以保持較高的靈敏度。在使用粘合劑時應小心確保其中沒有空氣泡。在使用粘合劑前應仔細閱讀其粘合使用說明。
結語
觸摸感應技術的最新發展降低了此流行用戶界面的相關成本，使其成為消費類電子產品、工業產品及其他產品的理想選擇。與傳統機械開關相比，電容式觸摸感應器的主要優勢在于它不會像機械開關那樣，隨時間的推移而磨損。通過使用單片機的片上CTMU外設或CVD技術，設計人員便可以最少的元器件并以較低成本來實現電容式觸摸感應用戶界面。
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