電容式觸摸傳感器的應用設計技巧與分析

　　觸摸傳感器已經(jīng)被廣泛使用很多年了。但近期混合信號可編程器件的發(fā)展，讓電容式觸摸傳感器已成為各種消費電子產(chǎn)品中機械式開(kāi)關(guān)的一種實(shí)用、增值型替代方案。

　　典型的電容式傳感器覆蓋層的厚度為3mm或更薄。隨著(zhù)覆蓋層厚度的增加，手指觸摸的傳感將變得越來(lái)越困難。換句話(huà)說(shuō)，伴隨著(zhù)覆蓋層厚度的增加，系統調整過(guò)程將必須從科學(xué)向藝術(shù)發(fā)展。為了說(shuō)明如何制作一個(gè)能夠提升目前技術(shù)極限的電容式傳感器，本文所述的實(shí)例中選用玻璃覆蓋層的厚度為10mm。玻璃使用簡(jiǎn)單，隨處可見(jiàn)，而且是透明的，所以你可以看到下面的感應墊。玻璃覆蓋層還可直接應用于白色家電。

　　任何電容式觸摸傳感系統的核心都是一組與電場(chǎng)相互作用的導體。人體皮膚下面的組織中充滿(mǎn)了傳導電解質(zhì)---這是一種有損電介質(zhì)。正是手指的這種導電特性使得電容式觸摸傳感成為可能。

　　簡(jiǎn)單的平行板電容器有兩個(gè)導體，這兩個(gè)導體之間隔著(zhù)一層電介質(zhì)。該系統中的大部分能量直接聚集在電容器極板之間。少許能量會(huì )泄露到電容器極板以外的空間，而由這些泄露能量所形成的電場(chǎng)叫做邊緣場(chǎng)。制作實(shí)用電容式傳感器的部分難題在于需要設計一套印刷電路板軌線(xiàn)，來(lái)將邊緣場(chǎng)引導到用戶(hù)易接近的有效感應區域中。平行板電容器不是這種傳感器模式的理想選擇。

　　當把手指放在邊緣電場(chǎng)的附近時(shí)，電容式傳感系統的導電表面積會(huì )增加。由手指所產(chǎn)生的額外電荷存儲容量，就是我們所知的手指電容CF。在本文中，無(wú)手指觸摸時(shí)的傳感器電容用CP來(lái)表示，意指寄生電容。

　　關(guān)于電容式傳感器人們常有這樣的誤解：為了使系統正常工作，手指必須接地。實(shí)際上，手指之所以被傳感是因為它帶有電荷，而與其是否懸空或接地完全無(wú)關(guān)。

　　傳感器的PCB布局

　　圖1顯示了一塊PCB的頂視圖，該PCB應用了本設計案例中的一個(gè)電容式傳感器按鍵。

　　圖1：PCB頂視圖。

　　這個(gè)按鍵的直徑為10mm，相當于一個(gè)成人指尖的平均尺寸。為該演示電路而組裝的PCB帶有4個(gè)按鍵，其中心相隔20mm。如圖1中所示，接地平面也位于頂層。金屬感應墊和接地平面之間設置了一個(gè)均勻的隔離間隙。該間隙的尺寸是一個(gè)重要的設計參數。如果間隙設置得過(guò)小，則過(guò)多的電場(chǎng)能量將直接傳遞至地。而如果間隙設置得過(guò)大，則將無(wú)法控制能量穿越覆蓋層的方式。將間隙尺寸選為0.5mm，可以很好地使邊緣場(chǎng)透過(guò)10mm厚的玻璃覆蓋層。

　　圖2展示了同一種傳感器模式的截面圖。

　　圖2：傳感器的PCB和覆蓋層截面圖。

　　如圖所示，PCB上的一個(gè)過(guò)孔將金屬感應墊與電路板底面上的印制導線(xiàn)相連。當電場(chǎng)試圖找到最短的接地路徑時(shí)，介電常數εr將影響進(jìn)入材料中的電場(chǎng)能量的密度。標準玻璃窗的εr約為8，PCB的FR4材料的εr約為4，而白色家電中常用的耐熱玻璃的εr大約為5。本設計案例中采用的是標準的窗玻璃。需要注意的是，在PCB上貼有玻璃紙，即3M公司的468-MP絕緣膠膜。

　　電容式傳感系統101

　　該電容式傳感系統的基本元件包括：一個(gè)可編程電流源、一個(gè)精密模擬比較器和一根用來(lái)按順序傳輸一組電容式傳感器信號的多路復用總線(xiàn)。在本文所討論的系統中，一個(gè)弛張振蕩器起著(zhù)電容傳感器的作用。該振蕩器的簡(jiǎn)化電路示意圖如圖3所示。　　圖3：電容式傳感弛張振蕩器電路。

　　比較器的輸出被送進(jìn)脈沖寬度調制器(PWM)的時(shí)鐘輸入電路，這個(gè)PWM對一個(gè)時(shí)鐘頻率為24MHz的16位計數器進(jìn)行門(mén)控。傳感器上面的手指使電容增大，進(jìn)而導致計數值增加。手指的存在就是基于這一原理來(lái)檢測到的。圖4展示了該系統的典型波形。

　　圖4：電容式傳感弛張振蕩器電路的波形。

　　該設備的實(shí)現原理圖如圖5所示。

　　圖5：電容式傳感電路原理圖。

　　為了實(shí)現電容式傳感和串行通信，該電路采用了賽普拉斯的CY8C21x34系列中的PSoC IC芯片。該芯片包含一組模擬和數字功能塊，這些功能塊可由存儲于板上閃存中的固件來(lái)配置。另一顆芯片負責處理RS232的電平移位，以便建立到主機的通信鏈接，并實(shí)現波特率為115,200的電容式傳感數據記錄。四個(gè)電容傳感按鍵的引腳分配在圖5的表中給出。PSoC是通過(guò)一個(gè)包含電源、地以及編程引腳SCL和SDA的ISSP接頭來(lái)實(shí)現編程的。而通過(guò)一個(gè)DB9連接器將電腦與電容式傳感電路板相連。

　　調整傳感器

　　每次調用上列程序中的調用函數CSR_1_Start()時(shí)，均對Button1的電容進(jìn)行測量。原始計數值被存儲于CSR_1_iaSwResult[ ]陣列中。用戶(hù)模塊還跟蹤一個(gè)用于原始計數的基線(xiàn)。每個(gè)按鍵的基線(xiàn)值均為一個(gè)由軟件中的IIR濾波器進(jìn)行周期性計算的平均原始計數值。IIR濾波器的更新速率是可編程的?；€(xiàn)使得系統能夠適應于由于溫度和其它環(huán)境影響而引起的系統中的漂移。開(kāi)關(guān)差分陣列CSR_1_iaSwDiff[ ]包含消除了基線(xiàn)偏移的原始計數值。利用開(kāi)關(guān)差值來(lái)決定按鍵目前的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。這可使系統的性能保持恒定，即便在基線(xiàn)有可能隨著(zhù)時(shí)間的推移而發(fā)生漂移的情況下也是如此。圖6顯示了固件中實(shí)現的差分計數與按鍵狀態(tài)之間的轉移函數。

　　圖6：差分計數與按鍵狀態(tài)之間的轉移函數。

　　該轉移函數中的延滯帶來(lái)了開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的快速轉換，即使計數是有噪聲的情況下也不例外。同時(shí)這還給按鍵帶來(lái)了一種反跳功能。低門(mén)限被稱(chēng)為“噪聲門(mén)限”，而高門(mén)限則被稱(chēng)為“手指門(mén)限”。門(mén)限水平的設定決定了系統的性能。當覆蓋層非常厚時(shí)，信噪比很低。在此類(lèi)系統中設定門(mén)限水平是一項具有挑戰性的工作，而這恰好是電容式傳感設計技巧的一部分。

　　圖7展示了一個(gè)持續時(shí)間為3秒的按鍵觸壓操作的理想原始計數波形。

　　圖7：將門(mén)限水平繪制在一個(gè)去除了基線(xiàn)的原始計數圖上。

　　噪聲門(mén)限被設定的計數值為10，而手指門(mén)限設定的計數值則為60。實(shí)際上，在實(shí)際計數數據中噪聲分量是始終存在，圖中沒(méi)有顯示是為了能清晰地顯示門(mén)限水平。

　　部分調整過(guò)程還包括選擇電流源DAC的電平以及設置用于計數累加的振蕩器周期數。在固件中，函數CSR_1_SetDacCurrent(200, 0)把電流源設定在其低電流范圍內，數值為200(最高255)，大約對應于14μA。函數CSR_1_SetScanSpeed(255)把振蕩器周期數設定為253(255－2)。原始計數和差分計數的分析表明：該系統的寄生引線(xiàn)電容CP約為15pF而手指電容CF約為0.5pF?？梢?jiàn)，手指電容使總電容產(chǎn)生了約3%的變化。對于每個(gè)按鍵，每個(gè)原始計數值的采集所需要的時(shí)間僅為500μs。

　　測量性能

　　電容式傳感系統的性能測量結果示于圖8中。

　　圖8：通過(guò)10mm玻璃進(jìn)行檢測時(shí)傳感器的性能測量結果。

　　差分計數是通過(guò)主PC上一個(gè)終端仿真程序獲得，然后借助電子制表軟件繪制而成的。將手指在10mm厚的玻璃覆蓋層上按壓3秒。按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)會(huì )被疊加在原始計數上。按鍵在這兩種狀態(tài)之間快速轉換，哪怕是由于通過(guò)厚玻璃進(jìn)行檢測而使原始計數信號中具有較大的噪聲時(shí)也是如此。請注意手指和按鍵門(mén)限隨著(zhù)基線(xiàn)的漂移而進(jìn)行周期性調整。當檢測到手指的觸壓動(dòng)作時(shí)，基線(xiàn)值將鎖定，直到手指移開(kāi)為止。

　　圖9和圖10顯示了兩種狀態(tài)轉換處的局部細節圖。

　　圖9：向“開(kāi)”狀態(tài)轉換時(shí)的局部細節圖。

　　圖10：向“關(guān)”狀態(tài)轉換時(shí)的局部細節圖。

　　在圖9中，按鍵最初處于為關(guān)閉(OFF)狀態(tài)。超過(guò)手指門(mén)限的差分計數的第一個(gè)采樣把按鍵狀態(tài)轉換至通(ON)狀態(tài)。在圖10中，低于噪聲門(mén)限的差分計數的第一個(gè)采樣將按鍵轉換至斷狀態(tài)。

　　電容式觸摸傳感器與機械式開(kāi)關(guān)相比的主要優(yōu)點(diǎn)是長(cháng)期使用時(shí)不易損壞?；旌闲盘柤夹g(shù)的最新發(fā)展，不僅讓觸摸式傳感器的成本在各種消費類(lèi)產(chǎn)品中降到了具有成本效益的水平，還提高了檢測電路的靈敏度和可靠性(因為增加了覆蓋層的厚度和耐用性)。利用本文介紹的設計方法，可以檢測到手指在一個(gè)10mm玻璃上的按壓，并通過(guò)基于噪聲門(mén)限和手指門(mén)限的反跳法，來(lái)實(shí)現按鍵開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的快速轉換，從而使電容式觸摸傳感器成為可替代機械式開(kāi)關(guān)元件的一種實(shí)用方案。