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1、电容检测原理Hessen was revised in January 2021H 用MSP430基于张弛震荡器的检测电子I南世界WOrJd. com. cn一些重要材料的介电常数如下表9材料介电常数材料介电常数合成树脂粘结剂酒精云母6玻璃5大理石8硬纸纸？电缆胶皮化合物有机玻璃汽油硬橡胶4聚乙烯化合物笨乙烯3石英玻璃陶瓷硅石蜡木材石英沙水80软橡胶OCA、PET图就是使用MSP430内部的比较器来实现一个张弛震荡触摸按键的的电路。在在 输入端，比较器的正接到了一个电阻网络，比较器的负接到了电阻Rc与感应电 容之间。比较器所接的电阻网络为比较器提供了参考电压，而这个参考电压乂 受到了比较器输出
2、反馈的激励，所以其值在l/3Vcc和2/3Vcc之间反复变化。 造成张弛振荡器的持续震荡，其震荡频率可由以下公式算出：fsc = 1/L X Rc X当手指接触到触摸按键以后，显然，的值将会被改变，于是fosc也随之变化如果我们能够检测到这种变化的话，也就自然知道何时触摸按键被“按下” 了。检测的方法也很简单，上面我们说过，当手指接触到触摸按键以后，Cs-的值将会 被改变，是fosc也随之变化。频率的倒数就是周期，只要我们在一个固定的时间内 去计算上升沿或下降沿的数目，那么如果在某一时刻该数目有较大的变化的话，那就 说明CS*8的值已经被改变，即按键被“按下”了。130 J于电阻电容充放电时“
3、U的检测第二种方法就是基于电容充、放电时间长短的检测，下图给出了这种触摸检测方 法的原理图。在这种方法中，主要检测的是电容充电和放电的时间。首先，由一个GPI0(Load)对电容Cx进行充电；同时开启计时器进行计时：随着充电的进行，Cx的电压 中不断升高，最终它将会操作某个门限电压V,当其超过门限电压V后，Acq I/O GPI0 将会检测到这个事件，同时停止计时器并读出此时的数值。这样，就完成了一次充电 计时过程，当手指接触到触摸按键时，Cx将会变大，显然，充电时间也会变长。通过 不断比较每次充电的时间，很自然地就能得知当前是否有按键被“按下”。同样，既然能检测充电时间，那么也能检测放电时间
4、。这里不再赘述。.CSA感应方式CSA是指 逐次逼近感应方式，只能在CY8C20x34 PSoC系列器件中应用。图3 CSA结构图图3显示了 CSA的原理方框图，其工作流程如下：开关SW1和SW2与感应电容CX形成了一个开关电容网络，该网络可以等效为 电阻。通过将iDAC设置到校准电平并使SW1和SW2切换，从而将CM0D上的平均 电压设定为随CX值而变化的电平。另外可设置iDAC至低电流电平并保持SW2打 开，使得CM0D上的电压斜坡上升。在CM0D上用了达到VREF的斜坡电压的时间表 示CX值。在比较器输出端的定时器可将斜坡时间转化为具体的数值。在没有手指接触时，通过逐次逼近方式来确定需要
5、的iDAC设置，从而使CM0D 上的电压保持在VREF,这样即可实现系统白校准。系统将为所有sensor存储单独校 准的iDAC设置。当手指接触时，cmod上的电压会处r更低的电压电平，这需要更多的时间才能达 到阈值电压VREF,如图4所示。如果(t2-tl)足够长，按钮就是处于手指接触 (Finger-Present)状态，否则按钮就是处广手指离开(Finger-Absent)状态。高达100 pF的内部可编程电容可用于CU0D,但是更大的外部电容能够提升性能：按钮和滑条的电容为1000 pF,而接近式感应则为10 nF。推荐将560欧姆的串联电阻与所有 输入串联以避免RF干扰。Finger
6、 Absent1.8V/ /1.7 VI IFinger Present1.8 VJjT / Jr1.9 VIIJ12图4在手指离开与手指接触的情况下，CSA波形的变化分页, CSD Sensing Method.CSD感应方式CSD stands for with Sigma-Delta A/D. CSD is implemented in both theCY8C21x34 and CY8c24x94 PSoC device families.CSD 是指 SigmaDelta 调制电容感应，其可在 CY8C21x34 和 CY8C24x94 PSoC 系列器件中应用。Figure 5.
7、CSD Configuration of图5 CSD结构图、图5显示了 CSD的原理方框图，其工作流程如下：开关SW1和SW2与感应电容CX形成一个开关电容网络，从而在VDD和CMOD 之间具有一个等效电阻。等效电阻的值由CX控制。SW1和SW2的开关由PRS生成 器的伪随机序列进行控制。SW3工作时与SW1和SW2不同步。将RB切换至接地 时，CMOD上的电压会下降。当RB接通时，CMOD上的电压乂会上升。比较器会根据 CMOD上相对于VREF的电压而更改状态。可通过添加16位定时器形成Sigma- Delta A/D,以测量比较器高电平持续时间 至比较器低电平持续时间。当手指接触时，CX会
8、变大而VDD的等效电阻变小，这就能允许更多电流流入 CMOo比较器将花费更多的时间在CMPHIGH状态上，而CMPL0W状态的时间则会更 少。如果CMPHIGH/CMPLOW的比率足够高，那么按钮就会处于手指接触状态，否则按 钮就会处于手指离开状态，如图6所示。Figure 6. CSD Waveform Changes With Finger Absent/PresentFinger Absent图6在手指接触与手指离开的情况下，CSD波形的变化与固定时钟源相比，PRS更能有效降低噪声。推荐采用3900 pF的CM0D值。RB 要求调谐至sensor以获得最佳性能，其值大约为5KT0K。推荐
9、将560欧姆的串联电 阻与所有 输入串联以避免RF干扰。分页2 . How to Design Printed Circuit Boards2、如何设计印刷电路板在典型应用中，可通过印刷电路板（PCB）的布线来形成电容感应。下列指南说 明了如何设计PCB （见参考书目2）。.布线布局指南电路板面积：所需的电路板面积只比感应区白身稍大。Sensor周围的电场非常局 限，尤其将接地层和Sensor铜箔置于相同的PCB层上时更为如此。PSoC布局：使PSoC与Sensor之间的距离保持最小化是一个不错的做法。通常 将PSoC与其他组件一起贴装到底层，而将Sensor置于顶层上。板层：最常见的PCB为
10、双板层，Sensor和栅格地层位于顶层，而其他器件则处于低层。当板区必须最小化时可采用四层板。典型的设计为处于顶层的Sensor,第2层走线，第3层为接地层，然后其他都在底层，如图7所示。不要直接在Sensor下布SENSORSTUCESMOUNDCONPWENTSMOfttfJTRC图7板级空间有限时，电路扳的四层布板情况电路板厚度：目前发现基于FR4的设计可采用的标准电路板厚度为、mm) 和mm)。那么电路板多薄才合适呢一个经验法则就是Sensor与接地层之间的间隙 应比其至接地层的垂直距离要小。走线长度和宽度：必须使走线和Sensor的寄生电容CP最小化以确保系统的动态 范围尽可能大。那
11、么走线到底应该多长呢在成功的产品中，用于滑条的最长走线是 9” (230 mm),而用于按钮的最长走线是12” (300 mm)。(这个极限值示例要求更大的 Sensor和更薄的覆盖物，以最大化来白Sensor的信号。)走线宽度将添加至Sensor CP,并且会增加耦合至其他层上的元件。-的走线宽度能满足大多数应用的 需要。过孔：应使用最少的过孔并与 输入的走线保持一致以最小化CP。可在Sensor 上的任何位置进行过孔布置，如图8所示。VU 汕 conlof, boUVia at edge, ewwe funetioft,minmnizes erac.e lengthi图8触摸板的过孔可以在
12、Sensor的任何位置(底层走线、顶层Sensor)通讯信号走线：电容式感应走线不要接近或并行于高频通讯信号走线，例如12c 或SPI主控制器。如果需要让通讯信号走线与Sensor引脚交叉，那么应确保二者彼 此垂直。是减小通讯信号走线和Sensor走线之间交互的有效方式之一，就是通过端口 分配来实现隔离。端口引脚P1EO和P1W 用T编程和I2C,并且如果没有其他引 脚可用就应该仅用了。铺地层：为了使CP最小化，推荐在Sensor层上进行40%的铺地，而非Sensor 层则进行60-80%的铺地。40%80%图9最小化CP的部分铺地覆盖物厚度：表1针对PSoC应用（塑料覆盖物）列出了所推荐的最
13、大覆盖物厚 度。介电常数在确定覆盖物厚度时起到一定的作用。普通玻璃其介电常数r弋8, 而塑料的介电常数对于相同水平的灵敏度，根据r/的比率就能估算出塑 料覆盖物的厚度。依据这种经验法则，对于同一灵敏度的普通玻璃覆盖物的厚度就应 大约是塑料覆盖物厚度的三倍。表1针对应用推荐使用的塑料覆盖物的厚度Des-lgn ElementOverlay TtiicknessButton 3 mmSliderw 1 mmTouchpad 0.5 mmiftil记律疆盏物厚度按垢3 mm 1海冬】1 mmi0.5 xntn.i信号和噪声都会受到覆盖物属性的影响。当覆盖物的厚度增加时，信号和噪声都 会减弱。其中典型
14、的关系曲线如图10所示。可将信号定义为手指接触和手指离开状 态平均输出中的差值。噪声可以定义为在手指离开的状态下输出的峰-峰值差。【JJE36U】 Indmo-JOHUOA图10随着覆盖物厚度的增加，信号电平开始下降覆盖物粘合剂：覆盖物材料必须与感应PCB保持良好的机械接触。3M公司可提 供两种广泛使用的非导电性粘合剂，其可用于覆盖物467MP和468MPo手套：如果Sensor必须在戴手套的情况下匚作，那么在设计按钮尺寸时应将手套 材料的厚度添加到总的覆盖物厚度中。干皮革和橡胶与塑料类似，其介电常数介于 之间。滑雪手套的介电常数为2或更小，这取决于手套绝热的空气含量。LED背光：能够与LED
15、背光一起出色地工作，仅需在感应铜箔上截一个孔并保 持LED走线位于电路板的底层即可。一个PCB上有多个PSoC：对于拥有许多按钮的系统来说，例如键盘，系统设计 时可能要求具有两个或多个专用于的PsoCo如果情况确需如此，就应隔开按钮以便 使铺地从每个按钮组的走线中独立出来。此举可防止独立的组之间发生耦合。分页按钮的功能是判断导体是否存在。按钮的典型应用是感知手指的触摸。形状：用手感知手指触摸的推荐形状为实心圆形，如图11所示。图11推荐使用的形状为实心圆形当按钮周围的间隙增加时电容CP反而会降低。CP与间隙的曲线关系示例如图 12所示，图12还显示了三种按钮尺寸（直径5mm、10mm和15mm
16、）的情形。1234 nm 5Button - GrownO Clearance mm图12 CP为按钮接地间隙与按钮直径的一个函数”厚度，FR4）保护性覆盖物越厚，按钮直径就应越大。图13显示了按钮直径的使用指南。对 于1mm厚的有机玻璃覆盖物，推荐的按钮直径是9mmo图13按钮直径与覆盖物厚度的关系.滑条滑条是一个Sensor阵列。相邻电容元件之间的变化可用于确定导体的位置。通过 使用中心点计算即可在固件中确定接触点位置。滑条段(slider segment)必须足够小以便于多个片段能与手指接触，如果足够 大的话，就会产生通过覆盖物所需的信号电平。锯齿形状很适合于滑条，滑条段最好 有5个或以
17、上。滑条的最大长度只受到PSoC中可用10引脚的限制。典型的滑条形 状如图14中所示。上面每个滑条片段的条形图代表了 Sensor输出。图14使用滑条产生的锯齿图案滑条复用：如果10引脚数目有限，那么将两个滑条段连接到一个PSoC引脚上 就能使PSoC感应滑条段数量翻倍。用户模块向导支持用户选择这种接法并将其作为 引脚分配的选项，并且用户模块API能正确地确定手指所触摸的半边滑条。请注意, 将每个 输入引脚连接至两个滑条片段会使CP翻倍，但信号不会有任何增多。触摸板用户模块不直接支持触摸板，但可将触摸板作为两个独立的滑条使用。所有适用 于滑条的指南同样也适用于触摸板。图15利用两个 滑条实现触
18、摸板，一个用于X轴，一个用于Y轴触摸板的典型示例就是有着20列滑条（X轴）和10行滑条（Y轴）的设计。总共 要将30个引脚用于 输入。活动区域的尺寸为x （99 mm x 47 mm）,覆盖物为 mm）的ABS塑料层。行和列Sensor之间留有“（5 mm）的间距。基准线噪声电平 在手指离开状态下是单一的计数。手指在触摸板上会产生15个计数的差分信号，这 会导致24dB的信噪比（SNR）。设置中心点算法即可确定每个行对和列对之间的20 个位置，该触摸板系统的分辨率每英寸计数（CPD为100.接近式感应用户模块不直接支持接近式感应，但可将接近式感应可以由大CP和计数差值小 的按钮来实现。专用接近
19、式感应的最佳实施办法是作为单一的线路长度，如图16 所示。把PCB上的按钮和滑条连接至单一的大Sensor,这是实施接近式感应的另外 一种技术。图16接近式感应原型的后视图.柔性电路柔性电路能很好适用于。在印刷电路板中提到的所有相同的指南同样也适用于柔 性电路。柔性电路通常比PCB要薄一些。通过使用不薄于“mm)的柔性电路来限定 CP,并且可将走线长度限制为几英寸。柔性电路的一个良好特性是Kapton材料(290 KV/mm)可提供高击穿电压。.IT0触摸屏IT0是锢锡氧化物的英文缩写。这种陶瓷材料的薄膜不仅可以导电，而且非常透 明。IT0触摸屏的示例如图17所示。IT0薄膜的电阻率范围为 欧
20、姆/平方，并且其 典型值介于100-500欧姆/平方之间。薄膜的厚度决定了电阻率。材料越薄，通过的 光线就越多，其产生的电阻也会越大。反之，材料越厚，通过的光线就越少，其产生 的电阻也会越小。触摸屏可运行于电阻式或电容式下。两种模式都有其适合市场。电阻式要求存在 压力以使导电层保持接触，更容易磨损和破裂。这种模式是一种具有较差透明度(90%) 的单层板或双层板解决方案。赛普拉斯能同时支持这两种触摸屏技术。图17 1To触摸屏分页3 .从概念到生产：工具和技术.评估板和示例图18 CY3212-培训评估板如图18所示，CY3212板是一款用于 应用开发的评估板。应用固件上写有“C”字样。通用功能
21、库使得项目开发就和写入几行代码一样的简单。此处的代码示例其目的是要求在一个按钮阵列中扫描两个Sensor并将结果保存到 I2C阵列中。代码1fl starting with seasorO, scan 2 sensors, single gcs node,Sens or Ax ray StartCcaafO, 0) r /scan ccaplete?while !(4aeerArray_CetSeAntatu() % WK1Eray_XJ_ST_C!PLErE);/save sen&orO and sensorlreaults in 12c array info .iRa*CAant f0 =
22、 SenecrArraywaSnsJLeBult (OJ ； Lnfo.iRawtoujit tl = SengrRn:ay：:bwS!u3BMLtl：.基准线技术Baseline是用于 测量的参考线。每个电容式Sensor都有其自身的基准线。对电 容式Sensor数据来说，Baseline就是一种基准线，这些数据可通过 用户模块的基准 线进行比较、计算得出。可IIR低通滤波器来处理原始计数数据，如图19所示。例 如手指接触和手指离开状态，都是基丁基准线建立的参考电平。图19 Baseline就是 数据的基准线，该数据不断更新.环境影响温度和湿度：温度和湿度都会导致基准线计数随时间漂移。用户模
23、块具有从一 40oC到+85oC的特征，如图20所示。由基准线所追溯的趋势可自动补偿温度和湿 度所造成的不良影响。Tmperanj re vanaaon raw counts (CSA MKhxf)图20混度变化（原始计数会随温度漂移，湿度也具有相似的影响）水：当覆盖物上出现雪状沉淀或者有小水滴溅到Sensor上时，仍然能够可靠运 行。可通过灵巧的机械设计来处理有水情况。设计Sensor时使其垂直或保持一定角度 以使水能迅速流出表面;并且在Sensor外面区域的覆盖物上增加沟槽以帮助水分流 掉。另外，还使按钮突出以防止水坑的形成。在置f水中或持续的水流流经Sensor的情况下，将无法正常工作。
24、.功耗和休眠电池使用寿命以毫安/小时表示。平均电流越低，工作时间就会越长（见参考书目 3）。可对PSoC进行编程以使其具有不同的功耗模式。在连续触摸按钮时，处于快速响应模式。经过一段时间没有动作时，处于省电且缓慢响应的模式。长时间没有动作时，处于深度休眠模式。与其他电容感应解决方案相比，PSoC的优势之一是其可编程性。用户可根据需 要，使进入省电模式。按钮的响应速度非常之快，每扫描一次按钮仅需200微 秒。可将这种高扫描速度与低休眠电流相结合以获得很低的平均电流。系统的一个实 例是处省电口缓慢响应模式时，可每100亳秒对三个按钮扫描一次，而其消耗的平 均电流不足50 UAa.噪声过滤通过传导和
25、辐射源会将噪声引入到系统中。传导性噪声可通过电源和信号线路 进入系统。蜂窝电话或荧光灯镇流器之类的辐射源可通过空气引入噪声。当这两种类 型的噪声都存在时，固件中的过滤技术可用r-增大 系统的信噪比（SNR）。PsoC仅仅 需要几行代码就能够实施FIR和HR数字滤波器。FIR滤波器：与电源线路噪声的频率相比，手指触按事件的频率会偏低。在此情 况下，低通滤波器（LPF）就成为一种非常高效的噪声过滤解决方案。FIR LPF可定义 如下：y = （ xl + x2 + + xN ） / N （1）每个噪声周期会对原始计数采样N次。N个采样可根据公式（1）结合到一起。 在50 Hz的噪声环境下，采样周期
26、必须为18 ms/No FIR滤波器的性能会随着N的 次数增加而提高，因此只要系统允许就应使N值尽可能大。IIR滤波器：FIR滤波器在这方面的不足之处是它需要采用比IIR更高阶的滤波 器才能获得相同的结果。这也许会使我们难以调节采样速率以使其与噪声周期相吻 合。因此在某些时候，对LPF来说，HR滤波器是更为合适的选择。表2对FIR滤 波器和HR滤波器进行了具体比较。表2低通滤波器FIR与IIR的比较嵬液器装RAM中应时间是舌一直森挥名定FIR LPF,1 .NTIIR LPF.N朱2 ,T舌. RF抗干扰性考虑因素RF可干扰任何电容感应系统的运行，包括（见参考书目4）。在电场强度足够 高的地方
27、，RF干扰会导致误判的按钮触摸事件，或者妨碍了真正的按钮触摸感应。蜂 窝电话就是很好的例子，其将RF发送器和按钮近距离地有意结合到一起。从发送器开始超过1/6波长距离的电场强度可通过公式近似得出。(2)E 伏特/米k电场P dBm二供给天线的RF功率D英寸二天线至感应Sensor的距离对尸在+28 dBm功率下发射信号的800 MHz蜂窝电话，距离天线3的电场可估 算出大约为60 V/m.图21显示了在RF干扰情况下的等效电路，例子中采用经过配置的PSoC来运 行 内部的二极管以保护PSoC免受ESD事件影响，最高可达2 KW图21 PSoC输入端的二极管可提供ESD保护走线的谐振效应可形成接
28、收器天线。四分之一波长的走线就是一款高效的天线。图22显示了四分之一波长的天线与频率的关系曲线。25201510501000frequency (MHz(6220 3010000图22四分之一波长的走线就是一款高效的天线分页对看低电平的RF信号，电路不会对系统的数字输出有任何的影响，因为低电平 的RF信号看起来像是背景噪声，因而系统往往会忽略这种噪声。当RF功率增加 时，计数会偏移恒定的数量，该数量可通过干扰的功率电平进行设定。RF信号为交 流信号，但是由于 输入端上二极管的作用使得对 计数的影响却是直流信号。计数 中的正漂移可导致误判的按钮触摸事件，而负偏移则会妨碍感应到真正的按钮触摸。 用户模块的手指和噪声阈值允许在计数中存在小偏移，在此情况下仍可正常工作。对 于高电平的RF干扰，就需要采用其他的测量办法。以下是两种可用的解决方案：