普通I/O口實(shí)現電容觸摸感應的解決方案

技術(shù)背景

現在電子產(chǎn)品中，觸摸感應技術(shù)日益受到更多關(guān)注和應用，不僅美觀(guān)耐用，而且較傳統機械按鍵具有更大的靈敏度、穩定性、可靠性，同時(shí)可以大幅提高產(chǎn)品的品質(zhì)。觸摸感應解決方案受到越來(lái)越多的IC設計廠(chǎng)家的關(guān)注，不斷有新的技術(shù)和IC面世，國內的公司也紛紛上馬類(lèi)似方案。Cpress公司的CapSense技術(shù)可以說(shuō)是感應技術(shù)的先驅?zhuān)咴诹诉@一領(lǐng)域的前列，在高端產(chǎn)品中有廣泛應用，MCP推出了mTouch，AT也推出了QTouch技術(shù)，FSL推出的電場(chǎng)感應技術(shù)與MCP的電感觸摸也別具特色，甚至ST也有QST產(chǎn)品。

但是目前所有的觸摸解決方案都使用專(zhuān)用IC，因而開(kāi)發(fā)成本高，難度大，而本文介紹的基于RC充電檢測(RC Acquisition)的方案可以在任何MCU上實(shí)現，是觸摸感應技術(shù)領(lǐng)域革命性的突破。首先介紹了RC充電基礎原理，以及充電時(shí)間的測試及改進(jìn)方法，然后詳細討論了基于STM8S單片機實(shí)現的硬件、軟件設計步驟，注意要點(diǎn)等。

一、RC充電檢測基本原理

RC充電檢測基本原理是對使用如PCB的電極式電容的充電放電時(shí)間進(jìn)行測量，通過(guò)比較在人體接觸時(shí)產(chǎn)生的微小變化來(lái)檢測是否有‘按下’動(dòng)作產(chǎn)生，可選用于任何單獨或多按鍵、滾輪、滑條。

如圖1(a)所示，在RC網(wǎng)絡(luò )施加周期性充電電壓Vin，測量Vout會(huì )得到如(b)的時(shí)序，通過(guò)檢測充電開(kāi)始到Vout到達某一門(mén)限值的時(shí)間tc的變化，就可以判斷出是否有人體接觸。圖2顯示出有人體接觸時(shí)充電時(shí)間會(huì )變長(cháng)。

實(shí)現電路如圖3，使用一個(gè)I/O口對PCB構成的電容充電，另一個(gè)I/O口測量電壓，對于多個(gè)按鍵時(shí)使用同一個(gè)I/O口充電。R1通常為幾百K到幾M，人體與PCB構成的電極電容一般只有幾個(gè)pF，R2用于降低噪聲干擾，通常為10K。

二、充電時(shí)間測量方法

對充電時(shí)間的測量可以使用MCU中定時(shí)器的捕捉功能，對于多個(gè)按鍵一般MCU沒(méi)有足夠的定時(shí)器為每個(gè)按鍵分配一個(gè)，也可以使用軟件計時(shí)的方法，這要求能對MCU的時(shí)鐘精確計數，并且保證每個(gè)周期的時(shí)鐘個(gè)數保持一定。這種情況通常要求對按鍵使用一個(gè)獨立的MCU，以保證不被其他任務(wù)中斷。

為了提高系統的可靠性和穩定性，改進(jìn)的測量方法是對Vout進(jìn)行高和低兩個(gè)門(mén)限進(jìn)行測量。如圖4所示，通過(guò)對t1和t2的測量，從而達到更可靠的效果。另外，多次測量也是有效的降低高頻干擾的有效方法。

實(shí)際應用中可以使用數字信號的方式直接測量t1和t2，因為數字信號的‘1’和‘0’也都有最高與最低輸入門(mén)限。使用軟件查詢(xún)方式測量，通過(guò)固定頻率檢測輸入腳，其中‘0’的個(gè)數就是t1，‘1’的個(gè)數就是t2，實(shí)際上就是輸入信號上升到VIHmin和下降到VILmax的時(shí)間。

三、PCB設計注意事項

不論是單按鍵、多按鍵、滑條、滾輪設計，還是混合應用，都可以使用一個(gè)I/O進(jìn)行充電，即可減少資源應用，又可以因使用同一定時(shí)標準從而簡(jiǎn)化軟件設計。

用于傳遞按鍵信號的線(xiàn)一定要足夠的細，以降低線(xiàn)路造成的電容的影響，信號線(xiàn)間距為兩倍線(xiàn)寬，不同組的信號間距應保證3mm～5mm。同組的信號線(xiàn)長(cháng)度應盡量保持一致，不同組的信號線(xiàn)不可以交叉。獨立按鍵的形狀可設計為、圓、三角或正多邊形，尺寸以10mm～15mm為宜?；瑮l的形狀可以是長(cháng)方形或鋸齒形，滾輪可以設計為幅射的扇形或環(huán)形，也可以是交錯的齒輪，每個(gè)部分之間應保持0.2～0.5mm。按鍵PCB層 不應該覆銅，否則會(huì )影響感覺(jué)的靈敏度，而反面可以覆銅，可以減少干擾。

按鍵除設計為單通道模式，還可以設計為多通道模式，通過(guò)對附近按鍵的感應信號強度判斷手指的位置，甚至可設計出‘連續’的滑動(dòng)效果。

LED經(jīng)常在感應設計中用來(lái)指示按鍵是否有效按下，注意按鍵的地或電源線(xiàn)就盡量短，線(xiàn)路較長(cháng)時(shí)宜增加1nF的濾波電容。

另外，建議電源電路使用線(xiàn)性電源而不是開(kāi)關(guān)電源，這對提高感應靈敏度很重要。

四、軟件設計流程

ST公司設計了完整的基于RC充電檢測的電容式感應觸摸方案的完整設計，包括PCB和完整的源程序，以及基于STM8S的標準觸摸感應庫(Touch Sense Library：TSL)和應用API接口，采用易于移植的C設計，用戶(hù)可以方便地應用于其他任何MCU系統中。因為RC充電理論涉及的專(zhuān)利已經(jīng)對公眾開(kāi)放，所以完全沒(méi)有專(zhuān)利的限制。

圖7是ST的觸摸感應設計庫TSL的架構示意。

ST的TSL內容包括濾波和校正算法，環(huán)境變化系統，自動(dòng)根據環(huán)境溫度、濕度、電壓、灰塵等因素調整配置參數。提供了包括單通道和多通道的感應設計API函數，層次驅動(dòng)的項目工程?；赟TM8Sxxx-TS1-EVAL演示板的軟件在STVD開(kāi)發(fā)平臺下設計，使用COSMIC-C語(yǔ)言編譯器，包括完整的源代碼，篇幅有限，不能詳述。

結論：

通過(guò)實(shí)驗，我們使用STM8S的觸摸感覺(jué)按鍵與CY的CAPSENSE觸摸按鍵的效果進(jìn)行了對比，結果證明二者在靈敏度與可靠性方面不相上下，在水浸、增加覆蓋物情況下，本方案適應性更佳。