Silicon Labs電容觸摸感應(yīng)MCU的工作原理與基本特征

現(xiàn)在的電子產(chǎn)品中，觸摸感應(yīng)技術(shù)日益受到更多關(guān)注和應(yīng)用，并不斷有新的技術(shù)和IC面世。與此同時(shí)，高靈敏度的電容觸摸技術(shù)也在快速地發(fā)展起來(lái)，其主要應(yīng)用在電容觸摸屏和電容觸摸按鍵，但由于電容會(huì)受溫度、濕度或接地情況的不同而變化，故穩(wěn)定性較差，因而要求IC的抗噪性能要好，這樣才能保證穩(wěn)定正確的觸摸感應(yīng)。

針對(duì)市場(chǎng)的需求，來(lái)自美國(guó)的高效能模擬與混合信號(hào)IC創(chuàng)新廠商Silicon Laboratories（簡(jiǎn)稱：Silicon Labs）公司特別推出了C8051F7XX和 C8051F8XX系列的MCU（單片機(jī)），專門針對(duì)電容觸摸感應(yīng)而設(shè)計(jì)，在抗噪性能和運(yùn)算速度上表現(xiàn)的非常突出。

一、Silicon Labs公司的電容觸摸系列MCU

目前Silicon Labs公司推出的C8051F7xx和C8051F8xx等電容觸摸系列MCU，以高信噪比高速度的特點(diǎn)在業(yè)界表現(xiàn)尤為出色。同時(shí)，靈活的I/O配置，給設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的方便。另外，由于該系列MCU內(nèi)部集成了特殊的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，所以能夠進(jìn)行高精度的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電容觸摸功能。

CDC的具體工作原理：

如圖1所示，IREF是一個(gè)內(nèi)部參考電流源，CREF是內(nèi)部集成的充電電容，ISENSOR屬于內(nèi)部集成的受控電流源，CSENSOR為外部電容傳感器的充電電容，由于人體的觸摸引起CSENSOR的變化，通過(guò)內(nèi)部調(diào)整過(guò)的ISENSOR對(duì)CSENSOR進(jìn)行瞬間的充電，在CSENSOR上產(chǎn)生一個(gè)電壓VSENSOR，然后相對(duì)內(nèi)部參考電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)共模差分放大器進(jìn)行放大；同理IC內(nèi)部的IREF對(duì)CREF充電后也產(chǎn)生一個(gè)參考電壓并相對(duì)同樣的VREF經(jīng)過(guò)差分放大，最后將2個(gè)放大后的信號(hào)通過(guò)SAR（逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器）式的ADC采樣算出ISENSOR的值。

圖1

Silicon Labs SAR式的ADC采樣可選擇12-16位的分辨率，如圖2所示，采用16位的分辨率進(jìn)行逐位比較采樣：首先從確定最高位第16位（IREF=0x8000）開(kāi)始，最高位的值取決于電容的充電速率，也就相當(dāng)于電流的大小，取電流IREF/2，比較VSENSOR和VREF：

VSENSOR > VREF 則 最高位 = 0 ；
VSENSOR < VREF 則 最高位 = 1 ；

 隨后，SAR控制邏輯移至下一位，并將該位設(shè)置為高電平，進(jìn)行下一次比較：

如果第16位是1，則取下一個(gè)IREF=0xC000 ；
如果第16位是0，則取下一個(gè)IREF=0x4000.

這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到最低有效位(LSB)。上述操作結(jié)束后，也就完成了轉(zhuǎn)換，將算出的16位轉(zhuǎn)換結(jié)果儲(chǔ)存在寄存器內(nèi)。

圖2

利用此電容采集轉(zhuǎn)換功能，可用在電容觸摸屏或者觸摸按鍵上。比如，電容式觸摸屏的應(yīng)用（圖3所示）。一般自容式電容觸摸屏主要包括一層表面玻璃層，中間兩層行列交叉的ITO層（行列層之間間沒(méi)有短接），以及GND底層。每一行和列分別與MCU的采集輸入通道直接相連，當(dāng)手指觸摸到電容屏的表面玻璃層時(shí)，會(huì)引起某一行或列的ITO 塊的對(duì)地電容（如圖4）值變大，從而通過(guò)電容采樣以及特定的算法確定電容值發(fā)生一定變化的點(diǎn)（觸摸點(diǎn)）的位置（X,Y）,最后將觸摸點(diǎn)的位置上傳給主處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作功能。

目前Silicon Labs 的C8051F7XX觸摸屏功能主要是單點(diǎn)觸摸，但通過(guò)軟件算法可以實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)的手勢(shì)識(shí)別，比如縮放、旋轉(zhuǎn)等，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)水滴識(shí)別以及濕的手指觸摸正常劃線功能。

而觸摸按鍵的電容采樣原理一樣，只是每個(gè)采集輸入通道連接一個(gè)觸摸按鍵，MCU可以直接確定某個(gè)按鍵被觸摸然后進(jìn)行相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)，算法處理相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖3

圖4

三、Silicon Labs觸摸系列 MCU的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

1.高信噪比   
      
電容傳感器模塊是先通過(guò)釋放外部電容的電量，然后再計(jì)算出其充電速度來(lái)確定變化的電容值的。所以在每次的測(cè)量之前必須徹底地釋放掉電容遺留的電量才能保證更準(zhǔn)確的測(cè)量。

外部電容的放電是否徹底直接影響到抗噪性能，一般的MCU都是通過(guò)一個(gè)電阻接地來(lái)放電的，而Silicon Labs的MCU是在每一位的轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行兩級(jí)的電容重置放電：首先通過(guò)連接一個(gè)小阻值的電阻接地進(jìn)行第一級(jí)的放電，釋放了絕大部分的電容殘余電量，然后轉(zhuǎn)向第二級(jí)的重置釋放，與一個(gè)高阻值的電阻串聯(lián)接地，徹底消除可能由于第一級(jí)重置釋放結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的噪聲能量。通過(guò)兩級(jí)的電容重置釋放可以充分地消除環(huán)境噪聲的影響，從而大大提高轉(zhuǎn)換的信噪比。

傳統(tǒng)的信噪比計(jì)算方法是手指觸摸時(shí)測(cè)量的平均電容值A(chǔ)vgA與空閑時(shí)所測(cè)量的電容值的差值A(chǔ)vgI，然后與空閑時(shí)噪聲引起的電容的峰值NoiseI的比值：

目前業(yè)界所能達(dá)到的信噪比一般只做到80：1，而Silicon Labs 的觸摸系列MCU的信噪比則可達(dá)到99.7:1（如圖5所示），高的信噪比保證更大程度的減少誤操作，同時(shí)靈敏度也大大提高。

圖5

2.高速度

Silicon Labs MCU采用的是3級(jí)流水線的指令結(jié)構(gòu)，70%的指令執(zhí)行只需1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，CPU的速度可以達(dá)到25MIPS，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換最快只需40us,如果是27個(gè)通道，掃描一遍也只需1.08ms，高效的轉(zhuǎn)換速率，可以提高系統(tǒng)的工作效率，同時(shí)讓使用者體驗(yàn)速度的效果。

3.I/O配置靈活

Silicon Labs的MCU的I/O口可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需要通過(guò)軟件任意配置，不像其他的MCU的某些功能I/O已經(jīng)被固定，從而在LAYOUT時(shí)出現(xiàn)許多交錯(cuò)的線路而給設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩，而且C8051F700最多可有38個(gè)電容轉(zhuǎn)換輸入通道，豐富的通道輸入為電容觸摸應(yīng)用的設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的方便，兼容性更強(qiáng)。

四、Silicon Labs電容觸摸系列MCU與其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的性能對(duì)比

C8051F7xx與C8051F8xx的電容觸摸感應(yīng)工作原理是一樣的，只是C8051F8xx的輸入通道相對(duì)少一些，最多只有16個(gè)通道，所以比較適合對(duì)輸入通道要求更為靈活的觸摸按鍵的應(yīng)用，而C8051F7xx的輸入通道最多可達(dá)38個(gè)，應(yīng)用更為廣泛，既可以應(yīng)用電容觸摸屏又支持電容觸摸按鍵的應(yīng)用。在現(xiàn)在的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，可以應(yīng)用于手機(jī)、洗衣機(jī)、機(jī)頂盒以及辦公產(chǎn)品等等。同時(shí)在也可廣泛應(yīng)用于如觸控面板、恒溫箱、安全系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域。

針對(duì)C8051F7xx與C8051F8xx系列產(chǎn)品及應(yīng)用，Silicon Labs授權(quán)代理商世強(qiáng)電訊可以提供相應(yīng)DEMO板以及配套完整可行的軟件、資料和技術(shù)支持。