電容觸摸感應MCU的工作原理與基本特征

現(xiàn)在的電子產(chǎn)品中，觸摸感應技術(shù)日益受到更多關(guān)注和應用，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。

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)，專門針對電容觸摸感應而設計，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，并將該位設置為高電平，進行下一次比較：

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。

圖3

圖4

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行相應功能的實現(xiàn)，算法處理相對簡單。