電容式觸摸感應(yīng)界面實現(xiàn)方案

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應(yīng)技術(shù)可以通過標(biāo)準(zhǔn)PCB設(shè)計中的銅焊盤來實現(xiàn)，因而相比其他技術(shù)更受歡迎。

本文將對電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)及其實現(xiàn)的基本原理進(jìn)行簡要概述。文中將會介紹如何利用CVD（電容分壓器）技術(shù)和一個稱為充電時間測量單元（CTMU）的單片機外設(shè)來實現(xiàn)具有最少外部元器件的低成本電容式觸摸感應(yīng)設(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)按鍵來替代機械開關(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術(shù)比起其他觸摸感應(yīng)技術(shù)更有優(yōu)勢。

電容式觸摸感應(yīng)的原理

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

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。人體血液中的鐵質(zhì)將產(chǎn)生一組電容，這些電容附著于體表。當(dāng)這一電容組接近導(dǎo)體時，將會產(chǎn)生一個實質(zhì)上耦合到地的電容，在確定觸摸時它將反映為測量電壓的變化。

一個典型的電容式觸摸感應(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)的模擬模塊，一個用于處理數(shù)據(jù)的控制器和一個用于與主處理器進(jìn)行通信的接口模塊。

電容式觸摸感應(yīng)解決方案可通過利用基于電壓變化的技術(shù)來有效實現(xiàn)，如：通過使用單片機的片上充電時間測量單元（CTMU）外設(shè)來實現(xiàn)；或者通過采用電壓分壓器（CVD）技術(shù)來實現(xiàn)，該項技術(shù)采用了模數(shù)轉(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)電容式觸摸感應(yīng)

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

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)的響應(yīng)時間。

CTMU外設(shè)用于電容式觸摸感應(yīng)應(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)器電壓（通過ADC讀?。?/p>

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。根據(jù)前面的公式，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)器（作為一個電容）連接到一個與CTMU外設(shè)和ADC多路復(fù)用的通道；最初，恒流源在一段固定的時間周期（T）內(nèi)為觸摸感應(yīng)器充電，且傳感器上的電壓（V）通過ADC測出，如圖3所示；只要因觸摸感應(yīng)器焊盤而產(chǎn)生的電容不發(fā)生變化，在連續(xù)多次測量電荷的過程中，電壓就不會發(fā)生變化。

CTMU外設(shè)中存在的恒流源，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通道數(shù)。

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