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電容式觸摸感�(yīng)界面實現(xiàn)方案

編輯:kathy 2012-01-11 15:08:37 瀏覽�2405  來源:《國際光電與顯示�

/Nithin Kumar Mada, Harsha Jagadish

 

  觸摸感應(yīng)按鍵因其易于使用、美觀且不涉及機械運動而在日常的人機界面應(yīng)用中得以普及,尤其是電容式觸摸感�(yīng)技�(shù)可以通過�(biāo)�(zhǔn)PCB�(shè)計中的銅焊盤來實�(xiàn),因而相比其他技�(shù)更受歡迎�

  本文將對電容式觸摸感�(yīng)技�(shù)及其實現(xiàn)的基本原理�(jìn)行簡要概�。文中將會介紹如何利用CVD(電容分壓�)技�(shù)和一個稱為充電時間測量單�(CTMU)的單片機外設(shè)來實�(xiàn)具有最少外部元器件的低成本電容式觸摸感�(yīng)�(shè)計,還將給出一個參考設(shè)計來說明如何用電容式觸摸感應(yīng)按鍵來替代機械開�(guān)�

  近來,電容式感應(yīng)滾輪在許多設(shè)備中所獲得的成功使得此項技�(shù)比起其他觸摸感應(yīng)技�(shù)更有�(yōu)��

  電容式觸摸感�(yīng)的原�

  �(dāng)任何具有電容特性的物體(例如手指)接觸電容式觸摸感�(yīng)器時,都將因其介電特性而充�(dāng)另一電容。這將改變系統(tǒng)的有效電�,從而以此檢測觸摸動��

  如圖1所示,手指充當(dāng)其中一個平行極板,而另一個平行極板則連接到芯片的傳感器輸入端。人體血液中的鐵�(zhì)將產(chǎn)生一組電�,這些電容附著于體�。當(dāng)這一電容組接近導(dǎo)體時,將會產(chǎn)生一個實�(zhì)上耦合到地的電�,在確定觸摸時它將反映為測量電壓的變��

  一個典型的電容式觸摸感�(yīng)系統(tǒng)由三個主要功能模塊組成:一個用于電容式感應(yīng)的模擬模�,一個用于處理數(shù)�(jù)的控制器和一個用于與主處理器�(jìn)行通信的接口模��

  電容式觸摸感�(yīng)解決方案可通過利用基于電壓變化的技�(shù)來有效實�(xiàn),如:通過使用單片機的片上充電時間測量單元(CTMU)外設(shè)來實�(xiàn);或者通過采用電壓分壓�(CVD)技�(shù)來實�(xiàn),該項技�(shù)采用了模�(shù)�(zhuǎn)換器(ADC)而無需用到任何專用的電容式觸摸感應(yīng)外設(shè)�

  1、利用CTMU外設(shè)實現(xiàn)電容式觸摸感�(yīng)

  CTMU外設(shè)是一個靈活的模擬模塊,它可與一個ADC�(jié)合使用來精確測量電容。它包含一個與此ADC通道相連的恒流�,如�2所�。CTMU使用恒流源來計算電容的變化和不同事件間的時間��

  與CVD相比,CTMU可提供更快的響應(yīng)速度,因為它具有多個不同的電流源范圍,這將有助于以更快的速度為模擬通道充電,從而改善電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)的響�(yīng)時間�

  CTMU外設(shè)用于電容式觸摸感�(yīng)�(yīng)用是利用公式I×T=C×V實現(xiàn)的。其中:I是CTMU的恒流源,T是CTMU為電容式觸摸感應(yīng)器充電的固定周期,C是電容式觸摸感應(yīng)器的電容,V是電容式觸摸感應(yīng)器電�(通過ADC讀�)�

  將該公式重新整理成C=(I×T)/V的形式,便可通過觀察電壓變化來檢測電容的相對變化。根�(jù)前面的公�,下面給出了檢測觸摸過程所涉及的各個步驟:將電容式觸摸感應(yīng)�(作為一個電�)連接到一個與CTMU外設(shè)和ADC多路�(fù)用的通道;最�,恒流源在一段固定的時間周期(T)�(nèi)為觸摸感�(yīng)器充電,且傳感器上的電壓(V)通過ADC測出,如�3所示;只要因觸摸感�(yīng)器焊盤而產(chǎn)生的電容不發(fā)生變�,在連續(xù)多次測量電荷的過程中,電壓就不會�(fā)生變化�

  CTMU外設(shè)中存在的恒流�,結(jié)合多通道ADC,為與電容式觸摸感應(yīng)器接口提供了有效的平臺。將CTMU外設(shè)直接連接到ADC的輸入端,使其可通過模擬多路開關(guān)連接到任何引腳。借助這種配置,單個CTMU外設(shè)可測量的傳感器個數(shù)將等于ADC通道�(shù)�

  與電流源相關(guān)的微�(diào)位方便了校準(zhǔn),由此便可應(yīng)對外部干擾和傳輸損��

  2、使用CVD實現(xiàn)電容式觸摸感�(yīng)

  電容分壓�(CVD)方法僅使用ADC并通過比較已知的固定內(nèi)部采樣保持電容和未知的可變電容式傳感器來實現(xiàn)基于電壓的測��

  CVD的傳感器�(jié)�(gòu)與典型的傳感器相�,傳感器是PCB上的覆銅區(qū)域或是用于傳感的類似�(dǎo)電焊�。將傳感器直接連接到ADC通道,并通過特定方式配置ADC和I/O即可�

  使用CVD的基本原理包括:首先,通過一個ADC通道將ADC的內(nèi)部采�/保持電容充電至VDD。然�,將傳感器通道接地,使其處于已知狀�(tài),如�4所示。傳感器接地�,需將其重置為輸�。重置完成后,ADC通道立即切換至傳感器� 

  此操作使采樣/保持電容CHOLD與傳感器電容并聯(lián),在這兩者之間形成一個分壓器。因�,傳感器電容上的電壓與采�/保持電容上的電壓相等。對ADC�(jìn)行采�,其讀�(shù)表示兩個電容之�。當(dāng)手指觸摸感應(yīng)器時,傳感器的電容會增加。因�,傳感器上的電壓將降低,而ADC讀�(shù)則增大�

  對于電容式觸摸感�(yīng)技�(shù)而言,不需要一個絕對的電容讀�(shù),因為所有的譯碼判決均與基準(zhǔn)讀�(shù)相關(guān)�

  開發(fā)固件以消除外部干�

  傳感器上的溫濕度、觸摸程度和污染物以及EMI/EMC干擾等多種因素將會導(dǎo)致電容產(chǎn)生動�(tài)波動,從而影響系�(tǒng)的電容式觸摸感應(yīng)性能。為了應(yīng)對這些影響,可以使用可實現(xiàn)動態(tài)平均值檢測、去抖動和動�(tài)電平跳變的固�。這些技�(shù)將使系統(tǒng)更加�(wěn)��

  此外,還必須�(jié)合軟件濾波來消除傳感器焊盤上的任何殘余噪聲,以便固件能夠區(qū)分觸摸與未觸摸狀�(tài)。對算法�(jìn)行設(shè)計還能檢測多個觸摸狀�(tài),以區(qū)分有意和無意觸摸。然�,可通過校準(zhǔn)軟件來檢測觸�,即便在電容的觸摸焊盤上有很厚的覆蓋��

  電容式觸摸感�(yīng)參考設(shè)�

  �5所示為電容式觸摸感�(yīng)�(yīng)用的一個參考設(shè)�,這一�(shè)計可以立即幫助用戶著手實�(xiàn)電容式觸摸感�(yīng)系統(tǒng)。此�(shè)計在實現(xiàn)與USB和LCD等其他外�(shè)接口�,也將提供極大的靈活性。此外,它還有助于減少啟動和運行觸摸感應(yīng)系統(tǒng)所需的周�(zhuǎn)時間�

  參考設(shè)計中所用單片機具有13個ADC通道,因而最多可以連接13個觸摸感�(yīng)器。該�(shè)計中包含�4個電容式觸摸感應(yīng)器,分別被連接到端口A0-A3。CTMU模塊具有一個可編程的電流源,用于為電容式觸摸感�(yīng)器充�。USB插座作為一個總線供電設(shè)備來為應(yīng)用供電,它使用了片上USB引擎。當(dāng)按壓傳感器時,固件可通過在LCD模塊上顯示觸摸感�(yīng)器的相應(yīng)狀�(tài)來提供反饋信�,該LCD模塊由端口D中的引腳�(qū)�。此外,�(shè)計中還提供了一�6引腳的接頭,用于將參考電路板連接到硬件編程器�

  影響有效電容式觸摸感�(yīng)�(shè)計的因素

  電容式觸摸感�(yīng)技�(shù)的引入為實時�(yīng)用帶來了各種挑戰(zhàn)。以下設(shè)計注意事項可幫助減少寄生電容和增加手指電�,最終能夠確保更好的傳感器設(shè)��

  傳感器焊盤的�?。涸O(shè)計電容式傳感器時,傳感器焊盤的形狀并不重要。主要關(guān)心的問題是決定靈敏度的焊盤的面積。焊盤面積越大,靈敏度越�。一般來�,該面積�(yīng)考慮為用戶手指的平均大小(15x15mm)。如果傳感器焊盤的大小大于理想�,會因為更接近地而增加寄生電容�

  傳感器之間的間隔:應(yīng)考慮傳感器與臨近傳感器的接近程度。當(dāng)觸摸某個傳感器�,手指不僅對�(dāng)前的傳感器,而且也對其相鄰的傳感器產(chǎn)生了附加電容。因�,要隔離手指電容,相鄰傳感器之間必須留有一定空�。理想情況下,傳感器間隔�(yīng)是電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)覆蓋材料厚度�2�3�。例如,對于一個典型的電容式觸摸感�(yīng)�(shè)計來�,如果覆蓋材料的厚度�3mm,那么傳感器之間的距離應(yīng)�6-9mm�

  走線長度:傳感器和單片機之間的走線長度不能太長,否則受寄生電容影響的可能性就將越大。這將改變走線阻抗和影響靈敏度。理想情況下,走線長度應(yīng)不超�12英寸(300mm)�

  覆蓋材料及其厚度:所使用的覆蓋材料及其厚度將決定傳送到電容式觸摸感�(yīng)器的手指電容。所使用的覆蓋材料必須具有較大的介電常數(shù)以增加靈敏度。此�,還要保證覆蓋材料盡可能地薄。如果覆蓋材料的厚度增加,那么傳感器之間的串?dāng)_效應(yīng)將會增加�

  接地技�(shù):傳感方法將受傳感器與地之間的寄生電容影�。其可通過使地盡量靠近傳感器來予以克服,這將增加寄生電容而降低其對傳感器的影��

  選擇粘合劑:粘合劑用于將覆蓋材料固定到PCB上。所使用的粘合劑�(yīng)盡可能薄以保持較高的靈敏�。在使用粘合劑時�(yīng)小心確保其中沒有空氣泡。在使用粘合劑前�(yīng)仔細(xì)閱讀其粘合使用說��

  �(jié)�

  觸摸感應(yīng)技�(shù)的最新發(fā)展降低了此流行用戶界面的相關(guān)成本,使其成為消費類電子�(chǎn)�、工�(yè)�(chǎn)品及其他�(chǎn)品的理想選擇。與傳統(tǒng)機械開關(guān)相比,電容式觸摸感應(yīng)器的主要�(yōu)勢在于它不會像機械開�(guān)那樣,隨時間的推移而磨�。通過使用單片機的片上CTMU外設(shè)或CVD技�(shù),設(shè)計人員便可以最少的元器件并以較低成本來實現(xiàn)電容式觸摸感�(yīng)用戶界面�

  ......

  更多精彩�(nèi)容請見《國際光電與顯示�2012�1月刊,歡迎訂閱!

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