手機中的電容式傳感及終端CPUI解決方案

　　在中端手機行業(yè)中，用戶(hù)界面的改善是新款手機獲得成功的關(guān)鍵。如果一款手機根本沒(méi)有人愿意用，那么它再好又有什么意義！考慮到這一點(diǎn)，制造商們正專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)創(chuàng )新技術(shù)，以便在不降低手機用戶(hù)界面(CPUI)的性能的情況下替換尺寸較大的按鈕和開(kāi)關(guān)。在CPUI中采用電容式傳感是縮減尺寸的一種行之有效的技術(shù)，它可提供低成本、魯棒性、靈活性以及一個(gè)直觀(guān)的CPUI，而且還與現有設備的外形尺寸和功能兼容。電容式傳感功能可以與白光LED驅動(dòng)和電池充電等其它標準手機功能相組合，以進(jìn)一步降低手機的成本。賽普拉斯采用CapSense技術(shù)的PSoC混合信號陣列可讓制造商輕松地在其手機中增加電容式傳感功能。

　　典型的中端CPUI由幾個(gè)按鈕、開(kāi)關(guān)和顯示屏組成。如果只是想擁有基本功能，CPUI僅需一個(gè)字母數字鍵盤(pán)、顯示屏，或許再加上一個(gè)電源開(kāi)關(guān)就足夠了。但目前制造商設計的手機能夠瀏覽網(wǎng)頁(yè)、發(fā)送文本消息、拍攝照片、甚至存儲和播放背景音樂(lè )。在消費市場(chǎng)上，這些功能是吸引大多數消費者的關(guān)鍵因素。為支持這些功能，制造商需要增加CPUI的功能。對CPUI而言，功能的增加將產(chǎn)生兩種后果：要么尺寸變大，要么更加復雜。不幸的是，消費者同樣對更簡(jiǎn)單、小巧的手機情有獨鐘。手機制造商如何才能解決消費者提出的這一難題呢？一種可能的辦法就是用電容式傳感器來(lái)取代傳統的按鈕和開(kāi)關(guān)。電容式傳感器能很容易地替換時(shí)下CPUI最為常用的數字開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性滑塊。

　　電容式傳感器的基本形式就是一對相鄰的極板。在這些相鄰的極板之間存在著(zhù)固有電容，電容值與極板的厚度成正比，與極板之間的距離成反比。在理想情況下，這是傳感器唯一可測到的電容。當把一個(gè)導體(比如手指)放在靠近兩塊極板的地方時(shí)，就會(huì )給固有電容增加一個(gè)并聯(lián)電容。此時(shí)，可測量的電容值便是固有電容值與手指至傳感器的耦合電容值之和。當把手指放在電容式傳感器之上，電容將增加。拿開(kāi)手指后，電容將減小。智能地測量電容值的變化就可以確定手指是否存在。

　　圖1：典型弛張振蕩器拓撲結構。

　　電容式傳感器由普通電子線(xiàn)路印刷電路板(PCB)上兩個(gè)有一定間隔的相鄰銅焊盤(pán)或銅線(xiàn)組成。這是一個(gè)基本的電容式數字開(kāi)關(guān)。同樣地，線(xiàn)性滑塊由PCB上電容式傳感器的一個(gè)陣列構成。典型情況下，傳感器的一塊銅極板接地，只留有一塊有源極板。實(shí)際上，邊緣電容會(huì )增加傳感器的固有電容，通?？偟牡湫椭禐?0pF～30pF。典型的手指耦合電容值為1pF～2pF。實(shí)現電容式傳感器的挑戰在于設計一個(gè)能夠測量3%的電容變化(由手指引起)的電路。

　　弛張振蕩器是一種簡(jiǎn)單而有效的電容測量電路。典型的弛張振蕩器電路拓撲結構(圖1)包括4個(gè)元件：同步比較器、電流源、放電開(kāi)關(guān)和電容式傳感器。

　　一開(kāi)始，放電開(kāi)關(guān)處于開(kāi)路狀態(tài)，電流源對電容式傳感器進(jìn)行線(xiàn)性充電。電容式傳感器上的電壓斜線(xiàn)上升，直到超過(guò)比較器的閾值。比較器的輸出從低電平變換至高電平，使放電開(kāi)關(guān)閉合。電容式傳感器通過(guò)該低阻抗通道迅速向地放電。該過(guò)程將使比較器的輸出由高變低，然后重復循環(huán)。輸出頻率(fout)取決于充電電流和電容式傳感器數值，關(guān)系式如下：

　　典型設計將振蕩器頻率設定在20kHz至200kHz的范圍內，然后將該頻率饋入一個(gè)智能測量電路。通過(guò)測量頻率的變化，即可判定手指是否存在。有兩種廣為采用的測量弛張振蕩器頻率的方法：一種是測量頻率，另一種是測量周期。

　　圖2：頻率測量的電路與波形。

　　頻率測量是指利用門(mén)控定時(shí)器，在一段固定時(shí)間內測量弛張振蕩器的頻率(圖2)。通過(guò)讀取定時(shí)器來(lái)確定在固定時(shí)間中累積的計數值。這種方法適用于與振蕩器周期相比，電容式傳感器的放電時(shí)間可以忽略不計的低頻應用。

　　周期測量利用振蕩器頻率作為脈寬調制器(PWM)的門(mén)控信號(圖3)。一個(gè)比弛張振蕩器頻率更高的頻率被用來(lái)對定時(shí)器定時(shí)。定時(shí)器時(shí)鐘越快，測量電容的分辨率越高?？刹捎脗鹘y的555定時(shí)器或更加復雜的微控制器輕松實(shí)現這兩種方法。由于確定手指存在與否需要借助智能軟件算法，基于微控制器的解決方案似乎更加精巧。

　　PSoC混合信號陣列

　　賽普拉斯的PSoC混合信號陣列CY8C21x34和CY8C24794系列產(chǎn)品采用CapSense技術(shù)，具有一組獨特的硬件特性，它通過(guò)弛張振蕩器拓撲結構實(shí)現具有成本效益、簡(jiǎn)單的電容式傳感設計。圖4給出了這種拓撲結構。這組特性包括：多倍精度定時(shí)器和計數器、自動(dòng)連接放電開(kāi)關(guān)的比較器、可編程電流源以及一個(gè)可使每個(gè)引腳都成為潛在電容式傳感器的通用模擬多路復用器。和所有的PSoC一樣，實(shí)現特定應用所需的外設均通過(guò)內部寄存器來(lái)配置。PSoCDesigner是為PSoC應用設計提供幫助的軟件工具，它包括專(zhuān)用用戶(hù)模塊和向導，以針對電容式傳感設計配置內部寄存器。這一對功能強大的組合為工程師們提供了實(shí)現簡(jiǎn)單的電容式數字開(kāi)關(guān)(甚至更加復雜的電容式線(xiàn)性滑塊)所需的工具。除了內部寄存器配置之外，PSoCDesigner還包括必要的軟件程序，用于確定數字開(kāi)關(guān)上是否有手指觸摸或者確定手指在線(xiàn)性滑塊上的準確位置。為實(shí)現完整的電容式傳感應用，這種智能是必需的。

　　該軟件算法提供兩個(gè)智能化功能。第一個(gè)功能是把從測量電路獲得的計數值轉換為手指檢測結果。數字開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性滑塊均需要這一功能。第二個(gè)功能是利用多傳感器陣列的電容加權平均值計算手指在線(xiàn)性滑塊上的位置。雙單元滑塊有一個(gè)固有的單元最低有效位(LSB)。如果手指在滑塊之上，則它可以位于單元1和/或單元0之上。但是，從分辨率來(lái)看，手指位置通常超過(guò)各個(gè)電容式傳感器的物理間距，因此第二個(gè)功能還融合了一個(gè)插值算法。插值處理將LSB從1單元減小至1/2單元、1/4單元或1/16單元。插值是實(shí)現平滑的電容式線(xiàn)性滑塊的關(guān)鍵。CapSense技術(shù)和智能軟件算法的結合使PSoC成為了電容式傳感應用領(lǐng)域的佼佼者。

　　電容式數字開(kāi)關(guān)可輕而易舉地取代當今CPUI中的基本字母數字鍵盤(pán)和電源開(kāi)關(guān)。這種替代方案具有雙重優(yōu)點(diǎn)：CPUI的物理厚度和總成本均有所縮減。利用電容式傳感，多種復雜和基本的CPUI功能可以被整合在一個(gè)電容式線(xiàn)性滑塊中?；瑝K提供用于網(wǎng)頁(yè)瀏覽或地址簿遍歷的翻屏功能、音量控制、甚至亮度控制功能。實(shí)現所有這些功能所占用的空間小于傳統CPUI所需的空間。