前言

　　在需要用戶界面的應(yīng)用方案中,，傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)正在被電容式觸摸" title="電容式觸摸">電容式觸摸感應(yīng)控制所替代,。

　　Sino wealth已經(jīng)開發(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,，然后經(jīng)過濾波等，最終通過專用的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

　　1 RC感應(yīng)原理

　　RC采樣原理就是通過測(cè)量觸摸電極電容的微小變化，來感知人體對(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：

　　MCU" title="MCU">MCU的觸摸按鍵解決方案" title="觸摸按鍵解決方案">觸摸按鍵解決方案（電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)）" border="0" height="47" src="http://files.chinaaet.com/images/20101214/9556a9ef-d807-425b-9a34-da84bbf40a11.jpg" width="300" />

　　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,。

　　前言

　　在需要用戶界面的應(yīng)用方案中，傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)正在被電容式觸摸感應(yīng)控制所替代,。

　　Sino wealth已經(jīng)開發(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,，然后經(jīng)過濾波等，最終通過專用的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

　　1 RC感應(yīng)原理

　　RC采樣原理就是通過測(cè)量觸摸電極電容的微小變化,，來感知人體對(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。

　　通過計(jì)算VOUT的電壓達(dá)到閥值VTH所需要的充電時(shí)間（TC）,，來得到電容值（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,，CX）和當(dāng)人手接觸或者靠近電極時(shí),，由人手帶來的電容（感應(yīng)電容，CT）,。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,。

　　2 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（CX）和手指電容（CT）并聯(lián)的電容（大約5pF） 形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò),，通過對(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（10KΩ）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),。

　　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)簡單的定時(shí)器（無需IC功能）和一系列簡單的軟件操作,，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)量帶來一些抖動(dòng)，但是由于沒有硬件限制,，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)電容充電開始之前,，定時(shí)器的計(jì)數(shù)器數(shù)值被記錄下來。當(dāng)采樣I/O端口上的電壓達(dá)到某個(gè)閥值（VTH）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,。

　　過采樣

　　過采樣的目的是以CPU時(shí)鐘的精度，對(duì)輸入電壓達(dá)到高電平和低電平（VIH和VIL）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VIH,。第二次測(cè)量電容的放電時(shí)間，直到輸入電壓降至VIL,。下圖以及以下的表格詳細(xì)說明了對(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,?！?/p>

　　表2 電容充放電測(cè)量步驟

　　觸摸的效果

　　電極的電容值（CX）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CX有關(guān),。圖8說明了這種“觸摸的效果”,。 時(shí)間（即達(dá)到了VIH電平的時(shí)刻）比長；同樣對(duì)于降至VIL電平的時(shí)間也比長,。

　　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)VIH和VIL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。

　　注意：下圖說明了去除噪聲的實(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VIH/VIL測(cè)量,；而紅色線條表示不正確的VIH/VIL測(cè)量。

　　圖10 顯示了沒有噪聲的影響,，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。這樣就需要較多的時(shí)間來完成一次完整的測(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)量都無效。這個(gè)例子中,，達(dá)到了無效的組測(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,。