低成本电容式触摸感应设计

作者: Multitouch     时间:2013-09-22     源于:电子工程世界    总点击:
【导读】:触摸感应按键因其易于使用、美观且不涉及机械运动而在日常的人机界面应用中得以普及,尤其是电容式触摸感应技术可以通过标准PCB设计中的铜焊盘来实现,因而相比其他技术更受欢迎。

  触摸感应按键因其易于使用、美观且不涉及机械运动而在日常的人机界面应用中得以普及,尤其是电容式触摸感应技术可以通过标准PCB设计中的铜焊盘来实现,因而相比其他技术更受欢迎。

  本文将对电容式触摸感应技术及其实现的基本原理进行简要概述。文中将会介绍如何利用CVD(电容分压器)技术和一个称为充电时间测量单元(CTMU)的单片机外设来实现具有最少外部元器件的低成本电容式触摸感应设计,还将给出一个参考设计来说明如何用电容式触摸感应按键来替代机械开关。

  近来,电容式感应滚轮在许多设备中所获得的成功使得此项技术比起其他触摸感应技术更有优势。

  电容式触摸感应的原理

  当任何具有电容特性的物体(例如手指)接触电容式触摸感应器时,都将因其介电特性而充当另一电容。这将改变系统的有效电容,从而以此检测触摸动作。

  如图1所示,手指充当其中一个平行极板,而另一个平行极板则连接到芯片的传感器输入端。人体血液中的铁质将产生一组电容,这些电容附着于体表。当这一电容组接近导体时,将会产生一个实质上耦合到地的电容,在确定触摸时它将反映为测量电压的变化。


   图1:电容式触摸感应技术原理图。

  一个典型的电容式触摸感应系统由三个主要功能模块组成:一个用于电容式感应的模拟模块,一个用于处理数据的控制器和一个用于与主处理器进行通信的接口模块。

  电容式触摸感应解决方案可通过利用基于电压变化的技术来有效实现,如:通过使用单片机的片上充电时间测量单元(CTMU)外设来实现;或者通过采用电压分压器(CVD)技术来实现,该项技术采用了模数转换器(ADC)而无需用到任何专用的电容式触摸感应外设。

  1. 利用CTMU外设实现电容式触摸感应

  CTMU外设是一个灵活的模拟模块,它可与一个ADC结合使用来精确测量电容。它包含一个与此ADC通道相连的恒流源,如图2所示。CTMU使用恒流源来计算电容的变化和不同事件间的时间差。


  图2:CTMU模块结构框图。

  与CVD相比,CTMU可提供更快的响应速度,因为它具有多个不同的电流源范围,这将有助于以更快的速度为模拟通道充电,从而改善电容式触摸感应系统的响应时间。

  CTMU外设用于电容式触摸感应应用是利用公式I×T=C×V实现的。其中:I是CTMU的恒流源,T是CTMU为电容式触摸感应器充电的固定周期,C是电容式触摸感应器的电容,V是电容式触摸感应器电压(通过ADC读取)。

  将该公式重新整理成C=(I×T)/V的形式,便可通过观察电压变化来检测电容的相对变化。根据前面的公式,下面给出了检测触摸过程所涉及的各个步骤:将电容式触摸感应器(作为一个电容)连接到一个与CTMU外设和ADC多路复用的通道;最初,恒流源在一段固定的时间周期(T)内为触摸感应器充电,且传感器上的电压(V)通过ADC测出,如图3所示;只要因触摸感应器焊盘而产生的电容不发生变化,在连续多次测量电荷的过程中,电压就不会发生变化。


  图3:CTMU的充放电波形。

  CTMU外设中存在的恒流源,结合多通道ADC,为与电容式触摸感应器接口提供了有效的平台。将CTMU外设直接连接到ADC的输入端,使其可通过模拟多路开关连接到任何引脚。借助这种配置,单个CTMU外设可测量的传感器个数将等于ADC通道数。

  与电流源相关的微调位方便了校准,由此便可应对外部干扰和传输损耗。

  2. 使用CVD实现电容式触摸感应

  电容分压器(CVD)方法仅使用ADC并通过比较已知的固定内部采样保持电容和未知的可变电容式传感器来实现基于电压的测量。

  CVD的传感器结构与典型的传感器相同,传感器是PCB上的覆铜区域或是用于传感的类似导电焊盘。将传感器直接连接到ADC通道,并通过特定方式配置ADC和I/O即可。

  使用CVD的基本原理包括:首先,通过一个ADC通道将ADC的内部采样/保持电容充电至VDD.然后,将传感器通道接地,使其处于已知状态,如图4所示。传感器接地后,需将其重置为输入。重置完成后,ADC通道立即切换至传感器。


  图4:CVD结构框图。

  此操作使采样/保持电容CHOLD与传感器电容并联,在这两者之间形成一个分压器。因此,传感器电容上的电压与采样/保持电容上的电压相等。对ADC进行采样,其读数表示两个电容之比。当手指触摸感应器时,传感器的电容会增加。因此,传感器上的电压将降低,而ADC读数则增大。

  对于电容式触摸感应技术而言,不需要一个绝对的电容读数,因为所有的译码判决均与基准读数相关。

  开发固件以消除外部干扰

  传感器上的温湿度、触摸程度和污染物以及EMI/EMC干扰等多种因素将会导致电容产生动态波动,从而影响系统的电容式触摸感应性能。为了应对这些影响,可以使用可实现动态平均值检测、去抖动和动态电平跳变的固件。这些技术将使系统更加稳健。

  此外,还必须结合软件滤波来消除传感器焊盘上的任何残余噪声,以便固件能够区分触摸与未触摸状态。对算法进行设计还能检测多个触摸状态,以区分有意和无意触摸。然后,可通过校准软件来检测触摸,即便在电容的触摸焊盘上有很厚的覆盖层。

  电容式触摸感应参考设计

  图5所示为电容式触摸感应应用的一个参考设计,这一设计可以立即帮助用户着手实现电容式触摸感应系统。此设计在实现与USB和LCD等其他外设接口时,也将提供极大的灵活性。此外,它还有助于减少启动和运行触摸感应系统所需的周转时间。


  图5:电容式触摸感应应用的参考设计。

  参考设计中所用单片机具有13个ADC通道,因而最多可以连接13个触摸感应器。该设计中包含了4个电容式触摸感应器,分别被连接到端口A0-A3.CTMU模块具有一个可编程的电流源,用于为电容式触摸感应器充电。USB插座作为一个总线供电设备来为应用供电,它使用了片上USB引擎。当按压传感器时,固件可通过在LCD模块上显示触摸感应器的相应状态来提供反馈信息,该LCD模块由端口D中的引脚驱动。此外,设计中还提供了一个6引脚的接头,用于将参考电路板连接到硬件编程器。

  影响有效电容式触摸感应设计的因素

  电容式触摸感应技术的引入为实时应用带来了各种挑战。以下设计注意事项可帮助减少寄生电容和增加手指电容,最终能够确保更好的传感器设计。

  传感器焊盘的大小:设计电容式传感器时,传感器焊盘的形状并不重要。主要关心的问题是决定灵敏度的焊盘的面积。焊盘面积越大,灵敏度越高。一般来说,该面积应考虑为用户手指的平均大小(15x15mm)。如果传感器焊盘的大小大于理想值,会因为更接近地而增加寄生电容。

  传感器之间的间隔:应考虑传感器与临近传感器的接近程度。当触摸某个传感器时,手指不仅对当前的传感器,而且也对其相邻的传感器产生了附加电容。因此,要隔离手指电容,相邻传感器之间必须留有一定空间。理想情况下,传感器间隔应是电容式触摸感应系统覆盖材料厚度的2~3倍。例如,对于一个典型的电容式触摸感应设计来说,如果覆盖材料的厚度为3mm,那么传感器之间的距离应为6mm到9mm.

  走线长度:传感器和单片机之间的走线长度不能太长,否则受寄生电容影响的可能性就将越大。这将改变走线阻抗和影响灵敏度。理想情况下,走线长度应不超过12英寸(300mm)。

  覆盖材料及其厚度:所使用的覆盖材料及其厚度将决定传送到电容式触摸感应器的手指电容。所使用的覆盖材料必须具有较大的介电常数以增加灵敏度。此外,还要保证覆盖材料尽可能地薄。如果覆盖材料的厚度增加,那么传感器之间的串扰效应将会增加。

  接地技术:传感方法将受传感器与地之间的寄生电容影响。其可通过使地尽量靠近传感器来予以克服,这将增加寄生电容而降低其对传感器的影响。

  选择粘合剂:粘合剂用于将覆盖材料固定到PCB上。所使用的粘合剂应尽可能薄以保持较高的灵敏度。在使用粘合剂时应小心确保其中没有空气泡。在使用粘合剂前应仔细阅读其粘合使用说明。

  本文小结

  触摸感应技术的最新发展降低了此流行用户界面的相关成本,使其成为消费类电子产品、工业产品及其他产品的理想选择。与传统机械开关相比,电容式触摸感应器的主要优势在于它不会像机械开关那样,随时间的推移而磨损。通过使用单片机的片上CTMU外设或CVD技术,设计人员便可以最少的元器件并以较低成本来实现电容式触摸感应用户界面。


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