中心議題：

• 電容式觸摸傳感器感應(yīng)原理
• 電容式觸摸接口設(shè)計(jì)

解決方案：

• 自行補(bǔ)償噪音的傳感器設(shè)計(jì)

直觀且耐用的電容式感應(yīng)接口在許多電器（也稱為“白色家電”）和儀表中替代了機(jī)械零件，提高了產(chǎn)品的可靠性。由于廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子設(shè)備，用戶對于這些接口的可靠性和準(zhǔn)確性要求較高。

然而，由于電容技術(shù)會受到環(huán)境噪聲和其它的因素影響，可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法響應(yīng)手指摸觸或者產(chǎn)生錯(cuò)誤觸摸。如果開發(fā)人員沒有很好的調(diào)試傳感器，那么會嚴(yán)重降低準(zhǔn)確性和可靠性。了解電容式傳感器的工作原理并設(shè)計(jì)出可自行補(bǔ)償噪音的傳感器，開發(fā)人員就可以建立起穩(wěn)定的系統(tǒng)，提高設(shè)計(jì)的可靠性、性價(jià)比和易用性。

電容式感應(yīng)

解決可靠性用戶接口設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)首先需要大概了解電容式測量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)。圖1顯示了一個(gè)電容式傳感器板的橫截面。

圖1：電容式傳感器板的橫截面

要感應(yīng)到手指的存在，電容式感應(yīng)系統(tǒng)首先要知道沒有手指時(shí)的傳感器電容（見圖2a），也稱為寄生電容（Cp）。當(dāng)手指接近或接觸傳感器時(shí)（見圖2b），傳感器電容值將會變化，這就產(chǎn)生了和Cp并聯(lián)的另一個(gè)電容，稱為手指電容（Cf）。有手指存在時(shí)，總傳感器電容（Cx）如方程1所示：

Cx = Cp +_ Cf （方程1）

                                                                              
圖2（a）：沒有手指時(shí)的傳感器電容     （b）：手指存在時(shí)的傳感器電容[page]

為了能夠使用微控制器來分析傳感器電容，傳感器電容（Cf）需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。圖3顯示了其中一種電容式感應(yīng)預(yù)處理電路框圖。（注：有多種測量傳感器電容的方法。）

圖3：電容測量預(yù)處理電路

該系統(tǒng)使用一個(gè)開關(guān)電容模塊模擬傳感器電容Cx、一個(gè)電阻Req、一個(gè)可編程電流源（IDAC）、一個(gè)外部電容（Cmod）以及一個(gè)精確模擬比較器。IDAC不斷給Cmod充電，直到Cmod電壓達(dá)到Vref，比較器輸出高電平。然后斷開IDAC，Cmod通過Req放電，直到Cmod電壓低于Req。比較器的出低電平，一直保持到Cmod又給Vref充電。手指存在時(shí)Cx將變大，根據(jù)方程2將等效于Req變?。?/p>

Req = 1/FsCx （方程2）

這里Fs是開關(guān)電容模塊的開關(guān)頻率。

因此，當(dāng)手指存在時(shí)，Cmod放電加快，比較器輸出保持高電平的時(shí)間較短。這意味著對于比較器來說，更高的電容值對應(yīng)短時(shí)間。在固定時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的碼流可輸入至計(jì)數(shù)器。該計(jì)數(shù)器值或“原始計(jì)數(shù)”提供了Cx大小的參考。

在固定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，也決定了原始計(jì)數(shù)的數(shù)目，可以稱為分辨率。當(dāng)分辨率增加時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間較長，這就增加了原始計(jì)數(shù)。換句話說，分辨率也是可能的原始計(jì)數(shù)的最大數(shù)目。

調(diào)試

圖4顯示了電容式觸摸接口的設(shè)計(jì)流程。然而，在實(shí)際運(yùn)用中，部件變化、運(yùn)行環(huán)境及噪聲都會影響傳感器的性能和可靠性。

圖4：觸摸感應(yīng)接口設(shè)計(jì)流程[page]

調(diào)試是一個(gè)關(guān)鍵的步驟，用來確保傳感器能正常和持續(xù)運(yùn)作。通過調(diào)試傳感器一系列參數(shù)的最佳值來保證足夠的信噪比（SNR）和手指閾值。一般說來，滿足傳感器設(shè)計(jì)可靠性的最低要求是達(dá)到5:1的信噪比（見圖5）。為了避免大氣變化引起電容變化造成的假觸發(fā)，建議手指閾值為信號強(qiáng)度的65-80%之間，以確保可靠的手指檢測。

圖5：原始傳感器數(shù)據(jù)由手指響應(yīng)和噪音構(gòu)成。手指響應(yīng)，也稱為信號強(qiáng)度，是當(dāng)手指放在傳感器上時(shí)通過感應(yīng)系統(tǒng)可以看到的原始計(jì)數(shù)的差別

傳感器控制器生產(chǎn)廠商會在調(diào)試過程中提供指南來幫助工程師，確保系統(tǒng)達(dá)到理想的參數(shù)。電容式感應(yīng)算法的傳感器控制器實(shí)現(xiàn)過程類似圖3，調(diào)試過程將按照如圖6顯示的步驟。

圖6：調(diào)試電容感應(yīng)系統(tǒng)

開發(fā)人員可以通過如下方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)試：可以在固件里根據(jù)傳感器具體操作編寫代碼（通外部元件）或者配置控制器。使用固件方法比較彈性，但當(dāng)參數(shù)調(diào)試需要改變時(shí)，固件也需要修改和更新。

設(shè)計(jì)者也可通過使用固定功能/不可編程的電容式傳感器控制器來簡化系統(tǒng)固件開發(fā)。在這種情況下，參數(shù)調(diào)試必須使用板上外部組件實(shí)現(xiàn)或通過通信接口（如）發(fā)送配置數(shù)據(jù)。

使用這種方法時(shí)，每當(dāng)調(diào)試參數(shù)需要改變，要么需要把用戶接口板返工要么需要更新配置數(shù)據(jù)信息。開發(fā)人員需要注意的是：調(diào)試可能是費(fèi)時(shí)的，尤其是PCB或覆蓋物需要反復(fù)改變時(shí)。

生產(chǎn)調(diào)試

電容式傳感器的性能很大程度上依賴于傳感器板的物理性質(zhì)/特征和環(huán)境/操作條件。例如，傳感器性能會受由PCB制造過程變化引起的傳感器電容變化的影響，無論是覆蓋材料、厚度變化，還是PCB供應(yīng)商的變化。

挑戰(zhàn)還不僅僅與此。寄生電容也會隨環(huán)境條件（噪聲平面）變化而變化，如溫度及濕度。因此，一個(gè)在阿爾卑斯山調(diào)試好了的板子可能在炎熱潮濕的香港不能工作，這就要花費(fèi)更多的時(shí)間和勞動(dòng)來重新調(diào)試一次。為了使由于生產(chǎn)過程的變化或供應(yīng)商改變引起的合格率降低的問題減至最小，需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析來在調(diào)試中加入預(yù)期的差異。

還有其他原因需要重新制作PCB，例如改變一個(gè)按鈕大小，根據(jù)原理圖的變化移動(dòng)PCB上的走線，重新設(shè)計(jì)PCB尺寸來解決不同的EMC/EMI問題等等。所有的這些修改都需要將傳感器重新調(diào)試一次。此外，調(diào)試過程需要通信協(xié)議和主處理器觀察和分析原始傳感器數(shù)據(jù)。由于最后一版后還需要調(diào)試，故需要額外的I/O來解決系統(tǒng)潛在的問題。

調(diào)試工作需要很多芯片相關(guān)的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，并理解電容式感應(yīng)在低電平信號的影響。在對上市時(shí)間要求比較嚴(yán)格的電器市場，調(diào)試可能大大延遲上市時(shí)間從而增加系統(tǒng)成本。[page]

為了做到有效的成本控制并滿足市場需求，最有效地調(diào)試辦法就是電器本身來控制。理想的自調(diào)試系統(tǒng)所要完成的任務(wù)如圖7所示。

圖7：自調(diào)試電容式感應(yīng)系統(tǒng)

在自調(diào)試電容式感應(yīng)系統(tǒng)中，可用多種算法來實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)系統(tǒng)。基本上來說，電器自調(diào)試和手動(dòng)調(diào)試沒有什么不同。如圖7所示，有些任務(wù)一上電就會執(zhí)行完畢（一次補(bǔ)償），而有些必須不斷執(zhí)行（動(dòng)態(tài)補(bǔ)償）。

一次補(bǔ)償

自調(diào)試電容式感應(yīng)系統(tǒng)必須基于電器和預(yù)期的操作環(huán)境為傳感器計(jì)算最佳參數(shù)設(shè)置。

時(shí)鐘：本文提到的電容式感應(yīng)系統(tǒng)是基于開關(guān)電容原理的。相反，物理上的傳感器電容通過在連續(xù)周期內(nèi)給傳感器電容充放電模擬成了電阻。模擬電阻和傳感器電容值成正比，可以用電流源和一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器來計(jì)算傳感器電容實(shí)際值。

恰當(dāng)?shù)牡刃ｋ娮枰髠鞲衅麟娙菰谝粋€(gè)頻率下充放電，要有足夠的時(shí)間讓電容完全充放電。因此，開關(guān)頻率應(yīng)該依照絕對傳感器電容來調(diào)整，如果傳感器電容較高應(yīng)該降低頻率。

分辨率： 因?yàn)橄到y(tǒng)將傳感器電容轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)，可以測量的最小電容變化取決于系統(tǒng)的分辨率。所需的分辨率可以使用寄生電容和所需的靈敏度來計(jì)算。

掃描時(shí)間：從系統(tǒng)規(guī)格方面來看，這是一個(gè)至關(guān)重要的調(diào)試參數(shù)。然而，隨著掃描分辨率的提高，系統(tǒng)的噪聲將會增加。為了彌補(bǔ)噪聲的加大，傳感器的掃描時(shí)間必須“拉長”來整合噪聲，降低其對電容測量的影響。

自調(diào)試算法必須小心，因?yàn)樗粫^系統(tǒng)要求外的掃描時(shí)間。最好的掃描時(shí)間處理方式就是布板時(shí)保持寄生電容盡可能低。

IDAC值：在選擇掃描分辨率之上，傳感器基線測量（即當(dāng)手指不存在時(shí)的原始計(jì)數(shù)）必須自動(dòng)調(diào)整接近最大計(jì)數(shù)的80%，以確保環(huán)境條件和芯片參數(shù)變化都不會影響傳感器測量精度或檢測手指觸摸的準(zhǔn)確性。
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動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

噪聲是一個(gè)隨機(jī)時(shí)間函數(shù)，由其自身性質(zhì)決定。工作一個(gè)小時(shí)后和剛開機(jī)時(shí)是不一樣的，下一個(gè)時(shí)刻又不相同。因此，手指檢測的閾值應(yīng)基于傳感器原始計(jì)數(shù)檢測到的噪聲來調(diào)整。圖8顯示了自調(diào)試系統(tǒng)如何基于系統(tǒng)噪聲調(diào)整手指閾值。

圖8：基于噪聲動(dòng)態(tài)調(diào)整手指閾值

電器自調(diào)試實(shí)施的穩(wěn)定性、可靠性和效率主要取決于兩個(gè)因素：信噪比和掃描時(shí)間。確保自調(diào)試傳感器和Cp的信噪比總是在最低要求5:1之上，以保證穩(wěn)定性和可靠性。掃描時(shí)間會影響自調(diào)試算法的電源效率，這是由于如果需要掃描傳感器的時(shí)間更長，就會消耗更多的功耗。雖然更長的掃描時(shí)間也許適合應(yīng)用需求，但自調(diào)試算法需要在不影響信噪比的情況下最大限度地減短掃描時(shí)間來減少功耗。

在初始設(shè)計(jì)階段通常會忽略的一個(gè)最重要的因素是線路板布局，線路板布局會影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。寄生電容會影響到調(diào)試的程度、產(chǎn)品合格率、掃描時(shí)間以及其它一些系統(tǒng)特性。

設(shè)計(jì)布局時(shí)應(yīng)遵循由控制器生產(chǎn)廠家提供的指南，以減少傳感器的寄生電容。這些指南可以用來改善系統(tǒng)的性能，通過自調(diào)試可以幫助開發(fā)人員應(yīng)對不斷變化的市場需求。例如，賽普拉斯提供了SmartSense自調(diào)試電容感應(yīng)解決方案，其可以自動(dòng)優(yōu)化掃描速度，當(dāng)功耗變低時(shí)也可以保持盡可能快的掃描速度，并且保持信噪比高于5:1，以避免任何錯(cuò)誤觸發(fā)。

自調(diào)試控制器免去了基于電器規(guī)格和操作條件的變化所需的反復(fù)電容式感應(yīng)調(diào)試。在某些極端的例子中，一個(gè)傳感器的寄生電容可能會很高，需要外部元件和手動(dòng)調(diào)試來使電容保持在一個(gè)典型的范圍。

對于開發(fā)人員在電器和其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電容感應(yīng)，手動(dòng)調(diào)試是一個(gè)明顯的挑戰(zhàn)。由于生產(chǎn)過程的差異，需要根據(jù)不同批次來調(diào)試，無論是因?yàn)榫€路板根據(jù)需求重新設(shè)計(jì)（例如，覆蓋物厚度或按鈕大小），還是由于噪聲/干擾問題。

調(diào)試會改善系統(tǒng)性能和可靠性，如果使用手動(dòng)調(diào)試會增加成本并延遲產(chǎn)品發(fā)布?？刂破髯哉{(diào)節(jié)方案會免去這些成本和延遲，開發(fā)人員不必成為電容信號專家就可以快速實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)。