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，高靈敏度的電容觸摸技術(shù)也在快速地發(fā)展起來，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)。

針對市場的需求，來自美國的高效能模擬與混合信號IC創(chuàng)新廠商Silicon Laboratories（簡稱：Silicon Labs）公司特別推出了C8051F7XX和 C8051F8XX系列的MCU（單片機(jī)），專門針對電容觸摸感應(yīng)而設(shè)計，在抗噪性能和運算速度上表現(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在業(yè)界表現(xiàn)尤為出色。同時，靈活的I/O配置，給設(shè)計帶來更多的方便。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，通過內(nèi)部調(diào)整過的ISENSOR對CSENSOR進(jìn)行瞬間的充電，在CSENSOR上產(chǎn)生一個電壓VSENSOR，然后相對內(nèi)部參考電壓經(jīng)過一個共模差分放大器進(jìn)行放大；同理IC內(nèi)部的IREF對CREF充電后也產(chǎn)生一個參考電壓并相對同樣的VREF經(jīng)過差分放大，最后將2個放大后的信號通過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IREF=0xC000 ；
如果第16位是0，則取下一個IREF=0x4000.

這個過程一直持續(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，會引起某一行或列的ITO 塊的對地電容（如圖4）值變大，從而通過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（觸摸點）的位置（X,Y）,最后將觸摸點的位置上傳給主處理器實現(xiàn)系統(tǒng)操作功能。

目前Silicon Labs 的C8051F7XX觸摸屏功能主要是單點觸摸，但通過軟件算法可以實現(xiàn)兩點的手勢識別，比如縮放、旋轉(zhuǎn)等，同時還能實現(xiàn)對水滴識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，只是每個采集輸入通道連接一個觸摸按鍵，MCU可以直接確定某個按鍵被觸摸然后進(jìn)行相應(yīng)功能的實現(xiàn)，算法處理相對簡單。

圖3

圖4

三、Silicon Labs觸摸系列 MCU的優(yōu)勢及特點

1.高信噪比   
      
電容傳感器模塊是先通過釋放外部電容的電量，然后再計算出其充電速度來確定變化的電容值的。所以在每次的測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都是通過一個電阻接地來放電的，而Silicon Labs的MCU是在每一位的轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行兩級的電容重置放電：首先通過連接一個小阻值的電阻接地進(jìn)行第一級的放電，釋放了絕大部分的電容殘余電量，然后轉(zhuǎn)向第二級的重置釋放，與一個高阻值的電阻串聯(lián)接地，徹底消除可能由于第一級重置釋放結(jié)束時產(chǎn)生的噪聲能量。通過兩級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)的信噪比計算方法是手指觸摸時測量的平均電容值A(chǔ)vgA與空閑時所測量的電容值的差值A(chǔ)vgI，然后與空閑時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，同時靈敏度也大大提高。

圖5

2.高速度

Silicon Labs MCU采用的是3級流水線的指令結(jié)構(gòu)，70%的指令執(zhí)行只需1或2個系統(tǒng)時鐘周期，CPU的速度可以達(dá)到25MIPS，每個通道的轉(zhuǎn)換最快只需40us,如果是27個通道，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，同時讓使用者體驗速度的效果。

3.I/O配置靈活

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

四、Silicon Labs電容觸摸系列MCU與其他競爭對手的性能對比

C8051F7xx與C8051F8xx的電容觸摸感應(yīng)工作原理是一樣的，只是C8051F8xx的輸入通道相對少一些，最多只有16個通道，所以比較適合對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，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。同時在也可廣泛應(yīng)用于如觸控面板、恒溫箱、安全系統(tǒng)、自動提款機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域。

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