基于PSoC的CapSense方案可簡化電容性觸摸感測設(shè)計

由于可通過厚度各異的玻璃或塑料表層感測手指的存在，電容性觸摸感測技術(shù)為眾多應(yīng)用領(lǐng)域(包括工業(yè)和白色家電)的人機(jī)界面增加了堅固性。筆記本電腦采用的觸摸板就是人們最為熟知的電容性觸摸感測實(shí)例。近年來，多款暢銷的MP3播放機(jī)也已開始采用電容性觸摸感測技術(shù)提供簡易導(dǎo)航，并普及電容性觸摸感測輸入法。

　　不過，該技術(shù)的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法采用靈活性欠佳、高成本的模塊型設(shè)計解決方案，并涉及使用授權(quán)等問題。為解決這些問題，賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出了一款名為CapSense的新型設(shè)計方法，消除了模塊的“黑匣子”障礙，可實(shí)現(xiàn)迄今為止成本最低的解決方案。

圖1：簡單的電容性開關(guān)。

　　有些觸摸感測技術(shù)看起來與電容性觸摸感測技術(shù)很相似(例如，電阻性薄膜和場效應(yīng)等)，但最終的性能對比卻顯現(xiàn)出不足。電阻性薄膜測量的是覆蓋在顯示屏上的兩個電阻性薄板之間的電壓變化，電阻性薄膜不僅價格昂貴，而且容易磨損，使用壽命不長。

　　而場效應(yīng)則是檢測電場的變化，這種變化會在存在導(dǎo)電元件時發(fā)生。目前，場效應(yīng)實(shí)現(xiàn)方案的造價非常昂貴，因?yàn)樗枰粋€系統(tǒng)控制器，而且每個開關(guān)都將增設(shè)一個IC。由于每個IC傳感器都必須與附近的傳感器隔離開，因此，場效應(yīng)設(shè)計欠缺靈活性，存在一定的局限性，實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)具有任何有效分辨率指標(biāo)的滑塊和觸摸板。場效應(yīng)實(shí)現(xiàn)方案在制造過程中常常需要進(jìn)行成本高昂的開關(guān)校準(zhǔn)。

　　與上述兩種觸摸感測技術(shù)相比，電容性觸摸感測的靈活性要高得多，而且成本也低得多。其基本原理是：導(dǎo)電元件的接入使電容性開關(guān)上的充電電壓發(fā)生改變。(最簡單的電容性開關(guān)只包括兩個相鄰的導(dǎo)電板，如圖1所示)。這種實(shí)測的電容變化量可被用來提供許多高度靈活的輸入配置，例如從按鈕、滑塊和觸摸板到面向安全應(yīng)用的鄰近探測器等。

基于PSoC的CapSense方案

　　CapSense基于賽普拉斯的PSoC混合信號陣列技術(shù)。通過與特定客戶(這些客戶的應(yīng)用需要一種靈活的單一IC架構(gòu)，能以比模塊型解決方案更低的成本、更高的靈活性方便地集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中的)的密切合作，賽普拉斯的PSoC設(shè)計團(tuán)隊最終實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的CapSense方案。

圖2：張弛振蕩器方框圖

　　采用模塊型解決方案時，客戶不得不為模塊供應(yīng)商所做的模塊重新設(shè)計支付費(fèi)用。因此嵌入式產(chǎn)品工程師迫切需要一種新方法，以便能夠通過提供用于快速實(shí)現(xiàn)獨(dú)特解決方案的方法來獲得主動權(quán)。這種具有獨(dú)特可配置性的PSoC架構(gòu)和新型直觀軟件工具共同實(shí)現(xiàn)了CapSense方案。

　　CY8C21x34和CY8C24794 PSoC器件均包括一個可由DAC來調(diào)節(jié)的電流源、比較器和復(fù)位開關(guān)的自動連接，以及一個獨(dú)特的模擬多路復(fù)用總線。該模擬多路復(fù)用總線使得所有的被測通道都能由一個共用的比較器和電流源來運(yùn)行。這就是說：CY8C21x34器件的每一個IO(共28個IO)以及CY8C24794器件中的48個IO均可被用于CapSense開關(guān)。相比之下，同類競爭解決方案則往往需要采用多路復(fù)用器和多個IC才能提供數(shù)量相當(dāng)?shù)拈_關(guān)。而PSoC的集成能力更加出色，而且節(jié)省了大量的BOM成本。

　　PSoC架構(gòu)不僅具有優(yōu)越的電容性觸摸感測適應(yīng)性，而且用于處理測量電容變化的技術(shù)也是最佳的，原因有二：它是一種公開的技術(shù)(不會受到昂貴的專利使用費(fèi)的限制)，而且，它是采用易用型設(shè)計工具來實(shí)現(xiàn)的。

張弛振蕩器技術(shù)

　　張弛振蕩器技術(shù)是PSoC器件執(zhí)行電容性觸摸感測所采用的特定方法。圖2所示為實(shí)現(xiàn)張弛振蕩器所采取的PSoC器件配置方式。

　　張弛振蕩器由一個電容性開關(guān)、一個充電電流源、一個比較器、一個復(fù)位開關(guān)、一個PWM和一個定時器組成。電容器上的電壓進(jìn)行線性充電，直至達(dá)到門限為止，觸發(fā)比較器輸出高電平。這將啟動開關(guān)，隨后使電容器上的電壓復(fù)位至地(這樣充電周期就能夠再次啟動)。其振蕩波形如圖3所示。

圖3：張弛振蕩器波形。

　　該振蕩的輸出頻率取決于電容值(Cp)和充電電流。如果一個額外的導(dǎo)電元件(比如手指)不在開關(guān)上，則Cp僅由寄生電容組成。如果手指存在，則Cp數(shù)值變大，這是因?yàn)槌思纳娙葜?，它還包括導(dǎo)電元件所形成的附加電容。電容越大，充電時間越長，振蕩頻率也就越低。振蕩的頻率與振蕩器輸出所驅(qū)動的電容大小相對應(yīng)。數(shù)字計數(shù)塊提供了一個計數(shù)值(n)，該計數(shù)值可被用于確定電容性開關(guān)是否已被啟動。

　　數(shù)字計數(shù)塊可通過配置提供兩種不同的測量方法：頻率測量和周期測量。(周期測量法見圖3)。顧名思義，這些測量方法的不同之處在于被測物理量。在周期測量法中，PWM的頻率是固定的，而周期長度是由張弛振蕩器來決定的。相反，頻率測量技術(shù)具有一個固定的周期，測量的是PWM頻率的變化(它是由張弛振蕩器的頻率決定的)。在這兩種場合中，PWM輸出都將啟用一個定時器，該定時器的計數(shù)值(n)可與一個特定的門限相關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)簡單的接通/關(guān)斷開關(guān)?；蛘?，由于一個開關(guān)可具有高達(dá)1/256的內(nèi)插分辨率，因此，定時器的計數(shù)(n)可被用來確定滑塊或觸摸板的位置。易用型PSoC Designer軟件使得上述兩種方法均能夠輕松實(shí)現(xiàn)。

圖4：CSR配置向?qū)?p>
簡易型功能塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計簡化

　　PSoC器件是一款帶板載8位控制器并具有高靈活性的復(fù)雜混合信號陣列。芯片的大部分是由模擬和數(shù)字塊組成，這些模擬和數(shù)字塊受控于可通過配置來實(shí)現(xiàn)板載外設(shè)(比如：PWM、定時器、計數(shù)器、ADC、可編程增益放大器以及許多其他的部件，均隸屬于同一個器件)的寄存器。由于PSoC器件基于閃存，因此，這些功能塊可進(jìn)行50,000次的重復(fù)配置，甚至可以隨意進(jìn)行重構(gòu)。

　　嵌入式產(chǎn)品工程師能夠快速地逐個完成這些功能本身的配置，并在寄存器級上與PSoC器件互動；他們也可以通過采用PSoC Designer(可從www.cypress.com網(wǎng)站免費(fèi)下載)用戶模塊進(jìn)行功能塊級器件配置控制的方法來節(jié)省大量的設(shè)計時間。PSoC Designer包括50多個用戶模塊庫。在用戶模塊的選擇過程中，賽普拉斯為工程師提供了簡單的設(shè)計向?qū)Ш蛥?shù)表。

圖5：培訓(xùn)電路板(CY3212 - CapSense)

　　每個用戶模塊都自動對適合的PSoC寄存器進(jìn)行配置，并提供一組應(yīng)用編程接口(API)。這些API使工程師擁有了簡化代碼的能力，只需要兩行代碼即可實(shí)現(xiàn)一個PWM。

　　這種基于簡易型功能塊的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也適用于電容性觸摸感測。CSR用戶模塊(Capacitive Switch Relaxation Oscillator，電容性開關(guān)張弛振蕩器)提供了下拉參數(shù)設(shè)置、GUI配置向?qū)Ш驮敿?xì)的產(chǎn)品手冊，用于解答與電路板布局和雙工有關(guān)的問題，以造就效率更高的滑塊或觸摸板實(shí)現(xiàn)方案。圖4顯示出基于CSR GUI配置向?qū)У囊环掌?詳見網(wǎng)站)。

　　除了用戶模塊之外，賽普拉斯還提供了一些相關(guān)的應(yīng)用筆記(《AN2233a：電容性開關(guān)掃描》和《AN2292：PSoC CapSense的布局指南》)，可給予工程師更多的設(shè)計支持。兩塊演示電路板，再加上用戶指南、支持固件和應(yīng)用筆記，便構(gòu)成了基本的CapSense設(shè)計(CY3220-FPD和CY3220-Slider)。為了向初次接觸CapSense的設(shè)計師提供幫助，賽普拉斯還奉獻(xiàn)了一款培訓(xùn)套件，該套件提供了有關(guān)CapSense實(shí)現(xiàn)方案的詳細(xì)指導(dǎo)手冊。它包括一塊培訓(xùn)電路板(見圖5)。培訓(xùn)套件、易用型設(shè)計工具、靈活且功能出眾的架構(gòu)，以及無專利測量技術(shù)的組合，使得PSoC CapSense成為所有電容性觸摸感測設(shè)計的理想選擇。

作者：Matt Basinger

賽普拉斯半導(dǎo)體公司