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(gè)電容式觸摸按鍵控制器使用。通過對(duì)由一個(gè)電阻和觸摸電極電容組成的RC充放電時(shí)間的控制，該觸摸感應(yīng)軟件可以檢測(cè)到人手的觸摸。由于電極電容的改變，導(dǎo)致的RC充放電時(shí)間的改變，能夠被檢測(cè)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?yàn)槊總€(gè)通道只需要兩個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)觸摸檢測(cè)功能

　　RC感應(yīng)原理

　　RC采樣原理就是通過測(cè)量觸摸電極電容的微小變化，來感知人體對(duì)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(gè)固定的電阻(R)周期性地充放電。 電容值取決于以下幾個(gè)參數(shù)：電極面積(A)，絕緣體相對(duì)介電常數(shù)，空氣相對(duì)濕度，以及兩個(gè)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(cè)。

　　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(cè)量充電時(shí)間。

　　通過計(jì)算VOUT的電壓達(dá)到閥值VTH所需要的充電時(shí)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(shí)，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(cè)到人手觸摸。因?yàn)橥ǔＨ耸钟|摸與否，帶來的電容變化一般就是幾個(gè)pF(通常5pF)。 利用該原理，就可以檢測(cè)到手指是否觸摸了電極。

圖3：觸摸感應(yīng)。

　　這就是用于檢測(cè)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(shí)現(xiàn)

　　圖4顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)的實(shí)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(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)該RC網(wǎng)絡(luò)充放電時(shí)間的測(cè)量，可以檢測(cè)到人手的觸摸。 所有電極共享一個(gè)“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(cè)的靈敏度。電容R2(10KΩ)是可選的，用于減少對(duì)噪聲影響。

圖4:電容觸摸感應(yīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)例。

　　3 軟件實(shí)現(xiàn)

　　本章描述了觸摸感應(yīng)RC原理的實(shí)現(xiàn)。

　　3.1充電時(shí)間測(cè)量原理

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

　　采用一個(gè)簡單的定時(shí)器(無需IC功能)和一系列簡單的軟件操作，即定時(shí)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(shí)間測(cè)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(cè)量方法會(huì)由于多次測(cè)量帶來一些抖動(dòng)，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(chǎng)合。

　　基本測(cè)量

　　使用普通定時(shí)器進(jìn)行充電時(shí)間的測(cè)量。對(duì)電容充電開始之前，定時(shí)器的計(jì)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(gè)閥值(VTH)時(shí)，再次記錄定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值。二者之差就是 充電或者放電的時(shí)間。

圖5：定時(shí)器計(jì)數(shù)器值。

　　過采樣

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

圖6：輸入電壓測(cè)量。

　　輸入電壓測(cè)量的原理

　　為了提高在電壓和溫度變動(dòng)情況下的穩(wěn)定性，對(duì)電極會(huì)進(jìn)行連續(xù)兩次的測(cè)量：第一次測(cè)量對(duì)電容的充電時(shí)間，直到輸入電壓升至VIH。第二次測(cè)量電容的放電時(shí)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(duì)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(shí)間測(cè)量。

表 電容充放電測(cè)量步驟

　　觸摸的效果

　　電極的電容值(CX)取決于以下幾個(gè)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(shí)間直接和CX有關(guān)。圖8說明了這種“觸摸的效果”。 時(shí)間(即達(dá)到了VIH電平的時(shí)刻)比長;同樣對(duì)于降至VIL電平的時(shí)間也比長。

圖8：觸摸效果實(shí)例。

　　多次測(cè)量以及高頻噪聲的去除

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

圖9：測(cè)量的種類。

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

　　這些實(shí)例展示了不同噪聲影響下的測(cè)量。綠色線條表示正確的VIH/VIL測(cè)量;而紅色線條表示不正確的VIH/VIL測(cè)量。

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

圖10：實(shí)例1。

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

圖11：實(shí)例2。

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