電容觸摸感應MCU的工作原理與基本特征

　　現(xiàn)在的電子產(chǎn)品中，觸摸感應技術日益受到更多關注和應用，并不斷有新的技術和IC面世。與此同時，高靈敏度的電容觸摸技術也在快速地發(fā)展起來，其主要應用在電容觸摸屏和電容觸摸按鍵，但由于電容會受溫度、濕度或接地情況的不同而變化，故穩(wěn)定性較差，因而要求IC的抗噪性能要好，這樣才能保證穩(wěn)定正確的觸摸感應。

　　針對市場的需求，來自美國的高效能模擬與混合信號IC創(chuàng)新廠商Silicon Laboratories（簡稱：Silicon Labs）公司特別推出了C8051F7XX和 C8051F8XX系列的MCU（單片機），專門針對電容觸摸感應而設計，在抗噪性能和運算速度上表現(xiàn)的非常突出。

　　一、Silicon Labs公司的電容觸摸系列MCU

　　目前Silicon Labs公司推出的C8051F7xx和C8051F8xx等電容觸摸系列MCU，以高信噪比高速度的特點在業(yè)界表現(xiàn)尤為出色。同時，靈活的I/O配置，給設計帶來更多的方便。另外，由于該系列MCU內部集成了特殊的電容數(shù)字轉換器(CDC)，所以能夠進行高精度的電容數(shù)字轉換實現(xiàn)電容觸摸功能。

　　CDC的具體工作原理：

　　如圖1所示，IREF是一個內部參考電流源，CREF是內部集成的充電電容，ISENSOR屬于內部集成的受控電流源，CSENSOR為外部電容傳感器的充電電容，由于人體的觸摸引起CSENSOR的變化，通過內部調整過的ISENSOR對CSENSOR進行瞬間的充電，在CSENSOR上產(chǎn)生一個電壓VSENSOR，然后相對內部參考電壓經(jīng)過一個共模差分放大器進行放大；同理IC內部的IREF對CREF充電后也產(chǎn)生一個參考電壓并相對同樣的VREF經(jīng)過差分放大，最后將2個放大后的信號通過SAR（逐次逼近模數(shù)轉換器）式的ADC采樣算出ISENSOR的值。

圖1

　　Silicon Labs SAR式的ADC采樣可選擇12-16位的分辨率，如圖2所示，采用16位的分辨率進行逐位比較采樣：首先從確定最高位第16位（IREF=0x8000）開始，最高位的值取決于電容的充電速率，也就相當于電流的大小，取電流IREF/2，比較VSENSOR和VREF：

　　VSENSOR > VREF 則 最高位 = 0 ；

　　VSENSOR VREF 則 最高位 = 1 ；

　　隨后，SAR控制邏輯移至下一位，并將該位設置為高電平，進行下一次比較：

　　如果第16位是1，則取下一個IREF=0xC000 ；

　　如果第16位是0，則取下一個IREF=0x4000.

　　這個過程一直持續(xù)到最低有效位(LSB)。上述操作結束后，也就完成了轉換，將算出的16位轉換結果儲存在寄存器內。

圖2

　　利用此電容采集轉換功能，可用在電容觸摸屏或者觸摸按鍵上。比如，電容式觸摸屏的應用（圖3所示）。一般自容式電容觸摸屏主要包括一層表面玻璃層，中間兩層行列交叉的ITO層（行列層之間間沒有短接），以及GND底層。每一行和列分別與MCU的采集輸入通道直接相連，當手指觸摸到電容屏的表面玻璃層時，會引起某一行或列的ITO 塊的對地電容（如圖4）值變大，從而通過電容采樣以及特定的算法確定電容值發(fā)生一定變化的點（觸摸點）的位置（X,Y）,最后將觸摸點的位置上傳給主處理器實現(xiàn)系統(tǒng)操作功能。

圖3

圖4

　　目前Silicon Labs 的C8051F7XX觸摸屏功能主要是單點觸摸，但通過軟件算法可以實現(xiàn)兩點的手勢識別，比如縮放、旋轉等，同時還能實現(xiàn)對水滴識別以及濕的手指觸摸正常劃線功能。

　　而觸摸按鍵的電容采樣原理一樣，只是每個采集輸入通道連接一個觸摸按鍵，MCU可以直接確定某個按鍵被觸摸然后進行相應功能的實現(xiàn)，算法處理相對簡單?！?/P>