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

解決方案：

• 自行補償噪音的傳感器設(shè)計

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”）和儀表中替代了機械零件，提高了產(chǎn)品的可靠性。由于廣泛應(yīng)用于消費電子設(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)計出可自行補償噪音的傳感器，開發(fā)人員就可以建立起穩(wěn)定的系統(tǒng)，提高設(shè)計的可靠性、性價比和易用性。

電容式感應(yīng)

解決可靠性用戶接口設(shè)計所面臨的挑戰(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（見圖2b），傳感器電容值將會變化，這就產(chǎn)生了和Cp并聯(lián)的另一個電容，稱為手指電容（Cf）。有手指存在時，總傳感器電容（Cx）如方程1所示：

Cx = Cp +_ Cf （方程1）

                                                                              
圖2（a）：沒有手指時的傳感器電容     （b）：手指存在時的傳感器電容[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)使用一個開關(guān)電容模塊模擬傳感器電容Cx、一個電阻Req、一個可編程電流源（IDAC）、一個外部電容（Cmod）以及一個精確模擬比較器。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Cx將變大，根據(jù)方程2將等效于Req變小：

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

在固定時間內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)，也決定了原始計數(shù)的數(shù)目，可以稱為分辨率。當(dāng)分辨率增加時，計數(shù)器計數(shù)時間較長，這就增加了原始計數(shù)。換句話說，分辨率也是可能的原始計數(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)計流程。然而，在實際運用中，部件變化、運行環(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)計流程[page]

調(diào)試是一個關(guān)鍵的步驟，用來確保傳感器能正常和持續(xù)運作。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)，也稱為信號強度，是當(dāng)手指放在傳感器上時通過感應(yīng)系統(tǒng)可以看到的原始計數(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，固件也需要修改和更新。

設(shè)計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，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)試可能是費時的，尤其是PCB或覆蓋物需要反復(fù)改變時。

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，這就要花費更多的時間和勞動來重新調(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，例如改變一個按鈕大小，根據(jù)原理圖的變化移動PCB上的走線，重新設(shè)計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，并理解電容式感應(yīng)在低電平信號的影響。在對上市時間要求比較嚴(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，可用多種算法來實現(xiàn)觸摸感應(yīng)系統(tǒng)。基本上來說，電器自調(diào)試和手動調(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（一次補償），而有些必須不斷執(zhí)行（動態(tài)補償）。

一次補償

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)境為傳感器計算最佳參數(shù)設(shè)置。

時鐘：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數(shù)模轉(zhuǎn)換器來計算傳感器電容實際值。

恰當(dāng)?shù)牡刃ｋ娮枰髠鞲衅麟娙菰谝粋€頻率下充放電，要有足夠的時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： 因為系統(tǒng)將傳感器電容轉(zhuǎn)化為計數(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算。

掃描時間：從系統(tǒng)規(guī)格方面來看，這是一個至關(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。為了彌補噪聲的加大，傳感器的掃描時間必須“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，因為它不會超過系統(tǒng)要求外的掃描時間。最好的掃描時間處理方式就是布板時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)手指不存在時的原始計數(shù)）必須自動調(diào)整接近最大計數(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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動態(tài)補償

噪聲是一個隨機時間函數(shù)，由其自身性質(zhì)決定。工作一個小時后和剛開機時是不一樣的，下一個時刻又不相同。因此，手指檢測的閾值應(yīng)基于傳感器原始計數(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：基于噪聲動態(tài)調(diào)整手指閾值

電器自調(diào)試實施的穩(wěn)定性、可靠性和效率主要取決于兩個因素：信噪比和掃描時間。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間更長，就會消耗更多的功耗。雖然更長的掃描時間也許適合應(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間來減少功耗。

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

設(shè)計布局時應(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，其可以自動優(yōu)化掃描速度，當(dāng)功耗變低時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，一個傳感器的寄生電容可能會很高，需要外部元件和手動調(diào)試來使電容保持在一個典型的范圍。

對于開發(fā)人員在電器和其他系統(tǒng)實現(xiàn)電容感應(yīng)，手動調(diào)試是一個明顯的挑戰(zhàn)。由于生產(chǎn)過程的差異，需要根據(jù)不同批次來調(diào)試，無論是因為線路板根據(jù)需求重新設(shè)計（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，如果使用手動調(diào)試會增加成本并延遲產(chǎn)品發(fā)布。控制器自調(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現(xiàn)可靠的系統(tǒng)。