CapSense觸摸感應技術(shù)在手機中的應用

CapSense觸摸感應技術(shù)是賽普拉斯半導體使用CY8C21x34系列PSoC芯片開(kāi)發(fā)的、用于觸摸式按鍵、觸摸式滾動(dòng)條（Slider）、觸摸式平板(Touchpad)的觸摸感應技術(shù)。它利用PSoC的CY8C21x34系列芯片一些特有的資源，根據電容感應的原理和松弛震蕩器的技術(shù)實(shí)現觸摸感應。區別于其他觸摸感應技術(shù)，CapSense技術(shù)具有幾乎不需要外圍元件、每一個(gè)按鍵的靈敏度可單獨調整、一個(gè)芯片可同時(shí)實(shí)施多個(gè)觸摸式按鍵和觸摸式滾動(dòng)條等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诟鞣N家電產(chǎn)品代替傳統的輕觸按鍵和薄膜鍵盤(pán)。同樣它也非常適用于時(shí)尚手機。本文介紹CapSense技術(shù)的基本原理以及它在手機中的應用。

CapSense技術(shù)的基本原理

CapSense技術(shù)是根據電容感應的原理和松弛震蕩器來(lái)實(shí)現觸摸感應。眾所周知，PCB板上相鄰的導線(xiàn)或銅箔之間存在寄生電容Cp。如圖1所示，當有手指接近或觸摸銅箔時(shí)，相當于附加了兩個(gè)電容，這兩個(gè)電容等效于并聯(lián)在Cp上的一個(gè)電容Cf。如果在手指與銅箔之間有不導電的介質(zhì)，它將影響Cf。介質(zhì)越厚、介質(zhì)的介電常數 r越小，對它的影響就越大。為了檢測Cp和Cp的變化Cf，我們用圖2所示的電路對其實(shí)施操作。圖中左半面是一個(gè)松弛震蕩器，它的工作過(guò)程如下：使用恒流源以iCHARGE電流對Cp充電，當Cp上的電壓上升并剛好超過(guò)比較器的反向輸入端的電壓VBG（1.3V）時(shí)，比較器翻轉到高電平，控制復位開(kāi)關(guān)閉合，Cp迅速放電到零。比較器翻轉恢復到低電平，恒流源以iCHARGE電流再對Cp充電。這個(gè)過(guò)程周而復始，形成震蕩。而震蕩的周期近似于充電的時(shí)間：

圖中右半面是一個(gè)間隔計數器。它由一個(gè)8位的PWM和一個(gè)16位的定時(shí)器組成。它實(shí)施一段時(shí)間間隔（PWM的Duty）里16位的定時(shí)器對系統時(shí)鐘的計數。PWM的輸入來(lái)自比較器的輸出，16位的定時(shí)器被設置成捕捉定時(shí)器，它的輸入來(lái)自系統時(shí)鐘SYSCLK。當PWM進(jìn)入Duty狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)16位的定時(shí)器工作，當PWM的Duty狀態(tài)結束時(shí)捕捉16位定時(shí)器的計數。這個(gè)計數的值為：
n=N_periodsXt_{CHARGEXSYSCLK}

其中NPERIODS為當PWM為Duty狀態(tài)時(shí)松弛震蕩器的震蕩次數，它的值被設置成PWM的周期值減2。將tCHARGE=CpVBG/iCHARGE代入上式有：

n=NPERIODSXCPVBGXSYSCLK/iCHARGE

當其他值都被固定以后n和Cp有唯一確定的關(guān)系。如果有手指觸摸時(shí)，Cp將變化到Cp+Cf，而n將由n1變化到n2

⊿n=n2-n1

當⊿n大于預先設定的閥值時(shí)，就可以表明有手指觸摸。圖3是無(wú)手指觸摸和有手指觸摸對應松弛震蕩器的波形和PWM及定時(shí)器計數值變化的示意圖。

CapSense技術(shù)的實(shí)施

CapSense所需要的資源包括松弛震蕩器和間隔定時(shí)器全部都被包含在PSoC芯片里，芯片外圍不需要任何元件。為了實(shí)施CapSense，PSoC的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）Designer4.2已經(jīng)為CY8C21x34芯片建立了CSR模塊，通過(guò)對CSR模塊的硬件配置和函數的調用來(lái)實(shí)施CapSense。

CSR模塊的配置

在IDE的器件編輯狀態(tài)，選擇并放置CSR模塊后，激活CSR模塊導向器（圖4），在CSR模塊導向器中可以設置多少個(gè)觸摸按鍵以及每一個(gè)按鍵所對應的管腳；也可以同時(shí)設置一個(gè)或兩個(gè)滾動(dòng)條（Slider）以及滾動(dòng)條由幾個(gè)感應塊組成和它們所對應的管腳。滾動(dòng)條的分辨率可以大于組成它按鍵的個(gè)數，它也在這里被設定。

在模塊的參數設置窗口，可以設置CSR模塊的工作模式（周期或頻率）、手指信號的閥值、噪聲信號的閥值、基本線(xiàn)修正的速率和抗ESD信號的周期。當所有設置完成以后，點(diǎn)擊Generate Device Application按鈕，即可自動(dòng)生成CSR模塊有關(guān)的程序供用戶(hù)程序調用。

幾個(gè)關(guān)鍵函數的調用

下面是CSR模塊的幾個(gè)關(guān)鍵函數：
void CSR_Start()；
void CSR_Stop()；
CSR_SetDacCurrent(BYTE bValue, BYTE bRange)；
CSR_SetScanSpeed(BYTE bDivider)；
void CSR_StartScan(bStrtSw, bSwCnt, bMode)；
BYTE CSR_GetScanStatus()；
BYTE CSR_iReadSwitch(Byte bSwitch)；
CSR_bUpdateBaseline(bSwGroup)；
BYTE CSR_bGetCentroidPos(bSwGroup)；

CSR_Start和CSR_Stop分別是啟動(dòng)和停止CSR模塊。CSR_SetDacCurrent用于設定給Cp充電的恒流源的大小，bValue、bRange參數用于分兩級設定恒流源的值。CSR_SetScanSpeed用于設置PWM的周期值，其參數bDivider的值減2為PWM的Duty值。上面兩個(gè)函數的參數的調整可以調節觸摸按鍵和觸摸滾動(dòng)條的靈敏度和掃描周期。 CSR_StartScan用于啟動(dòng)掃描，bStrtSw、bSwCnt和bMode參數分別用于設置第一個(gè)掃描鍵的鍵號、順序掃描鍵的個(gè)數和掃描的方式，掃描的方式有單次掃描和連續掃描兩種方式。 CSR_GetScanStatus函數返回掃描的狀態(tài)，CSR_iReadSwitch函數得到掃描的結果即定時(shí)器的計數值。

CSR_bUpdateBaseline是一個(gè)重要而有多種功能的函數，如圖5所示。對于每一個(gè)觸摸感應鍵，都有一個(gè)Baseline用于跟蹤在沒(méi)有手指觸摸時(shí)的定時(shí)器計數值，它是通過(guò)將每一次掃描得到的定時(shí)器的計數值做IIR濾波并符合有關(guān)條件后才作修正。作為差值比較的基準線(xiàn)，每一次掃描得到的定時(shí)器的計數值都要和它比較得到差值，該差值再和手指信號的閥值比較以判定有無(wú)手指觸摸。參數bSwGroup可選0、1和2，表明本次調用是修正觸摸按鍵還是第一或第二滾動(dòng)條。返回值是0或1，表明無(wú)或有手指觸摸。除了實(shí)施以上功能外，該函數還要完成峰值檢測和ESD檢測，用于提高測試的性能。

手指在滾動(dòng)條上的定位

滾動(dòng)條通常被做成鋸齒排列，每一個(gè)鋸齒條對應一個(gè)感應塊，當手指觸摸滾動(dòng)條或在其上移動(dòng)時(shí)，某一時(shí)刻會(huì )有幾個(gè)連續的感應塊被感應（如圖6），手指中間對應的感應塊感應量最大，兩邊順序遞減。這就可以用重心法來(lái)確定手指在滾動(dòng)條上的位置，此式是n=frac{sum_{n=0}^{m}n