采用PSoC片上系統(tǒng)芯片的非接觸式感應按鍵界面設計
本文采用PSoc片上系統(tǒng)芯片,實現(xiàn)了非接觸式、穩(wěn)定可靠的電容式感應按鍵的設計。
1 PSoC片上系統(tǒng)
PSoC微處理器由處理器內(nèi)核、系統(tǒng)資源、數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)組成。PSoC片上系統(tǒng)包含8個數(shù)字模塊和12個模擬模塊。這些模塊都可進行配置,用戶通過對這些模塊進行配置,定義出用戶所需要的功能。數(shù)字模塊可配置成定時器、計數(shù)器、串行通信口(UARTS)、CRC發(fā)生器、PWM脈寬調(diào)制等功能模塊。模擬模塊可配置成模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器、可編程增益放大器、可編程濾波器、差分比較器等功能模塊。數(shù)字模塊和模擬模塊也可構成調(diào)制解調(diào)器、復雜的馬達控制器、傳感器信號的處理電路等。
2 電容式感應原理
電容開關是一對相鄰電極,在電極之間有很小的電容。當一個導體接近兩個電極時,在電極與導體之間會產(chǎn)生一個耦合電容。在這里,手指就是這個導體,通常電容開關的形式是一邊接地的電容,導體的存在增加了開關到地之間的電容。檢測是否有手指靠近,也就是檢測是否有按鍵按下,可依據(jù)電容的變化來判斷。檢測電容變化的方法有很多:電流與電壓相位差檢測、電容構成振蕩器進行頻率檢測、電容橋電荷轉換檢測。因為電容橋電荷轉換檢測的方法較適用于大量按鍵掃描和PSoC的性能,所以在此采用該方法進行檢測。
電荷轉換電路從概念上來說與R-C充放電電路相似,如圖1所示。電荷轉移的優(yōu)點是不需要附加電阻器件。CP感應的電容,它的值隨著電極材料上所加導體而改變。Csum是參考總電容。
在檢測周期開始,通過一個復位開關把Csum上的電荷全部放掉。然后通過單刀雙向開關使Cp工作在非重迭的周期上。在第一半周,Cp連接到VDD充電。當CP上的電荷以由CP值決定的速度充到VDD時,開關斷開,然后把開關連接到Csum,Cp上的電荷轉移到Csum中。
在圖1中,因為Csum的電容值比Cp大得多,所以Csum上的電壓值在充電的每一周期內(nèi)只有微小的增加。這個Cp到Csum上的電荷轉換周期重復許多次,以使Csum上積累到一個大的信號值。當連接到VDD時,電容Cp上的電荷為:
Q=CV (1)
不是Cp上的所有電荷都轉移到Csum中。當Cp上的電壓跌落到Csum上的預存電壓時,轉換便不再進行。為檢測感應的電容值是否有改變,可通過Cp-Csum的充放電方式,把Csum充到固定的閾值VTH,再計算到達這個閾值時的周期數(shù)。在任意采樣點n,Csum上的電壓值為:
圖2示出了充放電115ms后的電荷轉換波形。其充放頻率為6MHz,所以其轉換次數(shù)為700次。
式(2)很明顯是一個指數(shù)函數(shù),即電壓值Vsum為:
檢測Cp的變化率,可通過比較Vsum和VTH得到。即計算Vsum充到VTH時的充放電次數(shù)n:
當手指靠近時,Cp變成電極感應電容和手指接近產(chǎn)生的耦合電容之和CF+P,所以Csum充電到閾值VTH的速度更快,充放電周期數(shù)n也就更?。?
這樣,檢測是否有鍵按下就簡化成了檢測周期數(shù)的變化率Δn=n-nF+P。當Δn>nTH時,表明有手指靠近。 [!--empirenews.page--]
3 電容式非接觸按鍵的設計與實現(xiàn)
3.1 電容式非接觸按鍵的硬件電路設計
電容式非接觸按鍵的硬件電路如圖3所示。該設計中,通過PSoc芯片CY8C2714循環(huán)檢測感應電極的狀態(tài)來判斷是否有按鍵按下。該系統(tǒng)的硬件設計非常簡單,感應電極不需要附加任何元器件。I/O口P0.2-P0.6共連接4個按鍵感應電極,芯片通過內(nèi)部硬件配置和軟件算法,對感應電機上是否有手指按下進行檢測。另外,PSoC芯片可外接ISSP接口實現(xiàn)在線編程。
3.2 電容式非接觸按鍵的軟件實現(xiàn)
非接觸按鍵的檢測,須通過比較器、充電電流源和復位開關組成一個張弛振蕩器,來對按鍵電極電容充放電。PSoC內(nèi)部用戶模塊配置如圖4所示。比較器占用一個模擬模塊。它的同相輸入端多路模擬開關連接到I/O口上,反相輸入端接內(nèi)部參考電壓VBG作為電容充電閾值VTH,與同時輸入端進行比較。輸出端連接比較邏輯輸出總線0??偩€與通用輸出口連通,再把通用輸出口4和通用輸入口4連接在一起,作為PWM的時鐘輸入線。PWM脈寬調(diào)制模塊占用1個數(shù)字模塊,其時鐘輸入連到比較器的輸出,PWM的輸出連接到定時器的捕獲腳。1個16位定時器占用2個數(shù)字模塊,對PWM輸出的脈沖進行定時。
非接觸式感應按鍵的實現(xiàn)過程為:首先設置I/O口的輸出驅動模式,開始掃描按鍵,把按鍵連接到模擬多通道輸入口,使能振蕩器。當Cp上的電壓線性增加到閾值時,比較器輸出高電平。刷新定時器和PWM的周期數(shù),重設計數(shù)值,置完成標志位。當掃描完成,停止PWM,定時器中斷服務完成。最后根據(jù)電容感應原理,計算出定時器的周期數(shù)來判斷是否有按鍵按下。在本設計中,如式(5)所示,選取Csum值,使充放電周期數(shù)n=1000次時,Vsum到達VTH。當檢測到n F+P<800,即Δn>nTH=200時,認為有按鍵下。
結語
本設計中,基于PSoC片上系統(tǒng)芯片的非接觸式感應按鍵界面,有著非接觸、可靠和設計簡單的特點。這種方便、靈活的操作界面已在家電和控制系統(tǒng)中得到了應用和推廣,所以關于電容式感應按鍵技術的應用將會是嵌入式系統(tǒng)中的一個研究熱點。