普通I/O口實現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)的解決方案

技術(shù)背景

現(xiàn)在電子產(chǎn)品中，觸摸感應(yīng)技術(shù)日益受到更多關(guān)注和應(yīng)用，不僅美觀耐用，而且較傳統(tǒng)機(jī)械按鍵具有更大的靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性，同時可以大幅提高產(chǎn)品的品質(zhì)。觸摸感應(yīng)解決方案受到越來越多的IC設(shè)計廠家的關(guān)注，不斷有新的技術(shù)和IC面世，國內(nèi)的公司也紛紛上馬類似方案。Cpress公司的CapSense技術(shù)可以說是感應(yīng)技術(shù)的先驅(qū)，走在了這一領(lǐng)域的前列，在高端產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用，MCP推出了mTouch，AT也推出了QTouch技術(shù)，F(xiàn)SL推出的電場感應(yīng)技術(shù)與MCP的電感觸摸也別具特色，甚至ST也有QST產(chǎn)品。

但是目前所有的觸摸解決方案都使用專用IC，因而開發(fā)成本高，難度大，而本文介紹的基于RC充電檢測(RC Acquisition)的方案可以在任何MCU上實現(xiàn)，是觸摸感應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域革命性的突破。首先介紹了RC充電基礎(chǔ)原理，以及充電時間的測試及改進(jìn)方法，然后詳細(xì)討論了基于STM8S單片機(jī)實現(xiàn)的硬件、軟件設(shè)計步驟，注意要點等。

一、RC充電檢測基本原理

RC充電檢測基本原理是對使用如PCB的電極式電容的充電放電時間進(jìn)行測量，通過比較在人體接觸時產(chǎn)生的微小變化來檢測是否有‘按下’動作產(chǎn)生，可選用于任何單獨或多按鍵、滾輪、滑條。

如圖1(a)所示，在RC網(wǎng)絡(luò)施加周期性充電電壓Vin，測量Vout會得到如(b)的時序，通過檢測充電開始到Vout到達(dá)某一門限值的時間tc的變化，就可以判斷出是否有人體接觸。圖2顯示出有人體接觸時充電時間會變長。

實現(xiàn)電路如圖3，使用一個I/O口對PCB構(gòu)成的電容充電，另一個I/O口測量電壓，對于多個按鍵時使用同一個I/O口充電。R1通常為幾百K到幾M，人體與PCB構(gòu)成的電極電容一般只有幾個pF，R2用于降低噪聲干擾，通常為10K。

二、充電時間測量方法

對充電時間的測量可以使用MCU中定時器的捕捉功能，對于多個按鍵一般MCU沒有足夠的定時器為每個按鍵分配一個，也可以使用軟件計時的方法，這要求能對MCU的時鐘精確計數(shù)，并且保證每個周期的時鐘個數(shù)保持一定。這種情況通常要求對按鍵使用一個獨立的MCU，以保證不被其他任務(wù)中斷。

為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，改進(jìn)的測量方法是對Vout進(jìn)行高和低兩個門限進(jìn)行測量。如圖4所示，通過對t1和t2的測量，從而達(dá)到更可靠的效果。另外，多次測量也是有效的降低高頻干擾的有效方法。

實際應(yīng)用中可以使用數(shù)字信號的方式直接測量t1和t2，因為數(shù)字信號的‘1’和‘0’也都有最高與最低輸入門限。使用軟件查詢方式測量，通過固定頻率檢測輸入腳，其中‘0’的個數(shù)就是t1，‘1’的個數(shù)就是t2，實際上就是輸入信號上升到VIHmin和下降到VILmax的時間。

三、PCB設(shè)計注意事項

不論是單按鍵、多按鍵、滑條、滾輪設(shè)計，還是混合應(yīng)用，都可以使用一個I/O進(jìn)行充電，即可減少資源應(yīng)用，又可以因使用同一定時標(biāo)準(zhǔn)從而簡化軟件設(shè)計。

用于傳遞按鍵信號的線一定要足夠的細(xì)，以降低線路造成的電容的影響，信號線間距為兩倍線寬，不同組的信號間距應(yīng)保證3mm～5mm。同組的信號線長度應(yīng)盡量保持一致，不同組的信號線不可以交叉。獨立按鍵的形狀可設(shè)計為、圓、三角或正多邊形，尺寸以10mm～15mm為宜。滑條的形狀可以是長方形或鋸齒形，滾輪可以設(shè)計為幅射的扇形或環(huán)形，也可以是交錯的齒輪，每個部分之間應(yīng)保持0.2～0.5mm。按鍵PCB層 不應(yīng)該覆銅，否則會影響感覺的靈敏度，而反面可以覆銅，可以減少干擾。

按鍵除設(shè)計為單通道模式，還可以設(shè)計為多通道模式，通過對附近按鍵的感應(yīng)信號強(qiáng)度判斷手指的位置，甚至可設(shè)計出‘連續(xù)’的滑動效果。

LED經(jīng)常在感應(yīng)設(shè)計中用來指示按鍵是否有效按下，注意按鍵的地或電源線就盡量短，線路較長時宜增加1nF的濾波電容。

另外，建議電源電路使用線性電源而不是開關(guān)電源，這對提高感應(yīng)靈敏度很重要。

四、軟件設(shè)計流程

ST公司設(shè)計了完整的基于RC充電檢測的電容式感應(yīng)觸摸方案的完整設(shè)計，包括PCB和完整的源程序，以及基于STM8S的標(biāo)準(zhǔn)觸摸感應(yīng)庫(Touch Sense Library：TSL)和應(yīng)用API接口，采用易于移植的C設(shè)計，用戶可以方便地應(yīng)用于其他任何MCU系統(tǒng)中。因為RC充電理論涉及的專利已經(jīng)對公眾開放，所以完全沒有專利的限制。

圖7是ST的觸摸感應(yīng)設(shè)計庫TSL的架構(gòu)示意。

ST的TSL內(nèi)容包括濾波和校正算法，環(huán)境變化系統(tǒng)，自動根據(jù)環(huán)境溫度、濕度、電壓、灰塵等因素調(diào)整配置參數(shù)。提供了包括單通道和多通道的感應(yīng)設(shè)計API函數(shù)，層次驅(qū)動的項目工程。基于STM8Sxxx-TS1-EVAL演示板的軟件在STVD開發(fā)平臺下設(shè)計，使用COSMIC-C語言編譯器，包括完整的源代碼，篇幅有限，不能詳述。

結(jié)論：

通過實驗，我們使用STM8S的觸摸感覺按鍵與CY的CAPSENSE觸摸按鍵的效果進(jìn)行了對比，結(jié)果證明二者在靈敏度與可靠性方面不相上下，在水浸、增加覆蓋物情況下，本方案適應(yīng)性更佳。