電容式觸摸接口可靠性設(shè)計(jì)方案

　　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(huì)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(huì)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并理解電容式感應(yīng)在低電平信號(hào)的影響。在對(duì)上市時(shí)間要求比較嚴(yán)格的電器市場(chǎng)，調(diào)試可能大大延遲上市時(shí)間從而增加系統(tǒng)成本。

　　為了做到有效的成本控制并滿足市場(chǎng)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)?；旧蟻碚f，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(huì)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(duì)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(cè)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(huì)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(zhǎng)”來整合噪聲，降低其對(duì)電容測(cè)量的影響。

　　自調(diào)試算法必須小心，因?yàn)樗粫?huì)超過系統(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(cè)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(huì)影響傳感器測(cè)量精度或檢測(cè)手指觸摸的準(zhǔn)確性。

　　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(cè)的閾值應(yīng)基于傳感器原始計(jì)數(shù)檢測(cè)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(huì)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(zhǎng)，就會(huì)消耗更多的功耗。雖然更長(zhǎng)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(huì)忽略的一個(gè)最重要的因素是線路板布局，線路板布局會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。寄生電容會(huì)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(duì)不斷變化的市場(chǎng)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(huì)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。