前言
在需要用戶界面的應(yīng)用方案中，傳統(tǒng)的機(jī)電開(kāi)關(guān)正在被電容式觸摸感應(yīng)控制所替代,。
Sino wealth已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一套觸摸感應(yīng)軟件,，使得任意一款8位的中穎微控制器都可以作為一個(gè)電容式觸摸按鍵控制器使用,。通過(guò)對(duì)由一個(gè)電阻和觸摸電極電容組成的RC充放電時(shí)間的控制,，該觸摸感應(yīng)軟件可以檢測(cè)到人手的觸摸。由于電極電容的改變,，導(dǎo)致的RC充放電時(shí)間的改變,，能夠被檢測(cè)出來(lái)，然后經(jīng)過(guò)濾波等，最終通過(guò)專(zhuān)用的I/O端口,，或者I2C/SPI接口發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng),。該軟件庫(kù)所需的元器件BOM表，成本低廉,，因?yàn)槊總€(gè)通道只需要兩個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)觸摸檢測(cè)功能,。
RC感應(yīng)原理
RC采樣原理就是通過(guò)測(cè)量觸摸電極電容的微小變化，來(lái)感知人體對(duì)電容式觸摸感應(yīng)器(按鍵,、滾輪或者滑條)的觸摸,。
電極電容(C)通過(guò)一個(gè)固定的電阻(R)周期性地充放電。 電容值取決于以下幾個(gè)參數(shù)：電極面積(A),，絕緣體相對(duì)介電常數(shù)( ),，空氣相對(duì)濕度( )，以及兩個(gè)電極之間的距離(d),。電容值可由下列公式得出：
圖1 RC電壓檢測(cè)
固定電壓施加在 ， 的電壓隨著電容值的變化而相應(yīng)增加或者降低,， 如圖2所示,。
圖2 測(cè)量充電時(shí)間
通過(guò)計(jì)算 的電壓達(dá)到閥值 所需要的充電時(shí)間( )，來(lái)得到電容值(C),。 在觸摸感應(yīng)應(yīng)用中,，電容值(C)由兩部分組成：固定電容(電極電容， )和當(dāng)人手接觸或者靠近電極時(shí),，由人手帶來(lái)的電容(感應(yīng)電容,， )。電極電容應(yīng)該盡可能的小,，以保證檢測(cè)到人手觸摸,。因?yàn)橥ǔＨ耸钟|摸與否，帶來(lái)的電容變化一般就是幾個(gè)pF(通常5pF),。 利用該原理,，就可以檢測(cè)到手指是否觸摸了電極。
圖3 觸摸感應(yīng)
這就是用于檢測(cè)人手觸摸的觸摸感應(yīng)軟件中感應(yīng)層所采用的基本原理,。
硬件實(shí)現(xiàn)
圖4顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)的實(shí)例,。由R1，R2以及電容電極( )和手指電容( )并聯(lián)的電容(大約5pF) 形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò),，通過(guò)對(duì)該RC網(wǎng)絡(luò)充放電時(shí)間的測(cè)量,，可以檢測(cè)到人手的觸摸。 所有電極共享一個(gè)“負(fù)載I/O”引腳,。電阻R1和R2盡量靠近MCU放置,。電容R1(阻值在幾百歐到 幾兆歐之間)是主要電容，用于調(diào)節(jié)觸摸檢測(cè)的靈敏度。電容R2(10K?)是可選的,，用于減少對(duì)噪聲影響,。
圖4 電容觸摸感應(yīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)例
3 軟件實(shí)現(xiàn)
本章描述了觸摸感應(yīng)RC原理的實(shí)現(xiàn)。
3.1 充電時(shí)間測(cè)量原理
為了保證健壯的電容觸摸感應(yīng)的應(yīng)用,，充電時(shí)間的測(cè)量需要足夠的精確,。
采用一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)器(無(wú)需IC功能)和一系列簡(jiǎn)單的軟件操作，即定時(shí)地檢查感應(yīng)I/O端口上的電壓是否達(dá)到閥值,。這樣的話,，時(shí)間測(cè)量的精確度就取決于執(zhí)行一次完整軟件查詢需要的CPU周期數(shù)。這種測(cè)量方法會(huì)由于多次測(cè)量帶來(lái)一些抖動(dòng),，但是由于沒(méi)有硬件限制,，這種方法適用于需要很多電極的場(chǎng)合。
基本測(cè)量
使用普通定時(shí)器進(jìn)行充電時(shí)間的測(cè)量,。對(duì)電容充電開(kāi)始之前,，定時(shí)器的計(jì)數(shù)器數(shù)值被記錄下來(lái)。當(dāng)采樣I/O端口上的電壓達(dá)到某個(gè)閥值( )時(shí),，再次記錄定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值,。二者之差就是 充電或者放電的時(shí)間。
圖5 定時(shí)器計(jì)數(shù)器值
過(guò)采樣
過(guò)采樣的目的是以CPU時(shí)鐘的精度,，對(duì)輸入電壓達(dá)到高電平和低電平( 和 )的時(shí)間測(cè)量,。 為了跨越所有的取值范圍，每次測(cè)量都比上一次測(cè)量延遲一個(gè)CPU時(shí)鐘周期的時(shí)間,。 為了跨越所有的取值范圍,，測(cè)量的次數(shù)是和MCU核相關(guān)的。圖6說(shuō)明了這個(gè)概念的應(yīng)用情況,。
圖6 輸入電壓測(cè)量
輸入電壓測(cè)量的原理
為了提高在電壓和溫度變動(dòng)情況下的穩(wěn)定性,，對(duì)電極會(huì)進(jìn)行連續(xù)兩次的測(cè)量：第一次測(cè)量對(duì)電容的充電時(shí)間，直到輸入電壓升至 ,。第二次測(cè)量電容的放電時(shí)間,，直到輸入電壓降至 。下圖以及以下的表格詳細(xì)說(shuō)明了對(duì)感應(yīng)電極(感應(yīng)I/O)和負(fù)載I/O引腳上的操作流程,。
圖7 電容充放電時(shí)間測(cè)量
表2 電容充放電測(cè)量步驟
步驟 描述
1 1. 負(fù)載I/O引腳設(shè)置成輸出模式,，輸出VDD
2. 感應(yīng)I/O引腳設(shè)置成輸出模式，輸出VDD
3. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的初始值(vih_start)
2 感應(yīng)I/O設(shè)置成輸入高阻模式
于是電極電容 開(kāi)始充電
3 當(dāng)感應(yīng)I/O引腳上的電壓達(dá)到 ：
1. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值(vih_stop),，并由此計(jì)算達(dá)到高電平 的時(shí)間(vih_stop – vih_start),，并保存
2. 感應(yīng)I/O引腳設(shè)置成輸出模式，輸出VDD
3. 負(fù)載I/O引腳設(shè)置成輸出模式,，輸出到地
4. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的初值(vil_start)
4 感應(yīng)I/O引腳設(shè)置成輸入高阻模式 于是電極電容 開(kāi)始放電
5 當(dāng)感應(yīng)I/O引腳上的電壓降至 ：
1. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值(vil_stop),，并由此計(jì)算降到低電平 的時(shí)間(vil_stop – vil_start),，并保存
2. 將兩次測(cè)量值“vih_meas”和“vil_meas”相加并保存
3. 重復(fù)步驟1的操作
觸摸的效果
電極的電容值( )取決于以下幾個(gè)主要因素：電極的形狀、大小,，觸摸感應(yīng)控制器到電極之間的 布線(尤其是地耦合),，以及介電面板的材料和厚度。因此,，RC充放電時(shí)間直接和 有關(guān),。圖8說(shuō)明了這種“觸摸的效果”。 時(shí)間
圖8 觸摸效果實(shí)例
多次測(cè)量以及高頻噪聲的去除
為了提高測(cè)量的精確度，并去除高頻噪聲,，有必要對(duì) 和 進(jìn)行多次的測(cè)量,，然后再?zèng)Q定是否有按鍵被有效“觸摸”。
圖9 測(cè)量的種類(lèi)
注意： 下圖說(shuō)明了去除噪聲的實(shí)例,。如果測(cè)量次數(shù)(N)設(shè)置為4,，那么對(duì)一個(gè)電極的完整測(cè)量將包括4次正確的“連續(xù)組測(cè)量”(BGs)。
這些實(shí)例展示了不同噪聲影響下的測(cè)量,。綠色線條表示正確的 / 測(cè)量,；而紅色線條表示不正確的 / 測(cè)量。
圖10 顯示了沒(méi)有噪聲的影響,，所有測(cè)量都有效的情況。 這個(gè)例子中,，每個(gè)連續(xù)組測(cè)量中的測(cè)量都有效,，使得一個(gè)完整的測(cè)量很快就可以完成。
圖10 實(shí)例1
圖11 顯示了有一些噪聲使得某些測(cè)量無(wú)效的情況(即r1和r2),。 在這個(gè)例子中,，連續(xù)組測(cè)量BG3重復(fù)了好幾次，直到其中的所有測(cè)量都有效,，該次組測(cè)量才算通過(guò),。這樣就需要較多的時(shí)間來(lái)完成一次完整的測(cè)量。
圖11 實(shí)例2
圖12 顯示了有很多噪聲,，使得無(wú)效的組測(cè)量次數(shù)達(dá)到了最大限制 (比如20),。這樣的話，整個(gè)電極測(cè)量都無(wú)效,。 這個(gè)例子中,，達(dá)到了無(wú)效的組測(cè)量次數(shù)的最大限制，因此停止對(duì)該電極的測(cè)量,。
圖12 實(shí)例3
