更智能的觸摸傳感解決方案

談到觸摸感應(yīng)，無論是在MCU還是在傳感器市場上，都是增長最快的份額之一。電容式的感應(yīng)產(chǎn)品正在以非?？斓乃俣冗M(jìn)入觸摸感應(yīng)的整體技術(shù)市場。據(jù)預(yù)測顯示，2011年的單年觸摸感應(yīng)半導(dǎo)體需求將達(dá)到30億美元。到2011年僅手機(jī)應(yīng)用中的觸摸感應(yīng)份額將增長到4億件。這是一個(gè)非?？捎^的數(shù)字。

電容式觸摸感應(yīng)

應(yīng)用最廣的是電阻式的觸摸感應(yīng)方案，但是電容式的觸摸感應(yīng)方案擁有增長最快的份額。電容式觸摸感應(yīng)方案之所以是增長最快的方案的原因有一下幾點(diǎn)：第一，在各種各樣的便攜式設(shè)備中，觸摸感應(yīng)的方案的應(yīng)用會越來越廣；第二，隨著制造成本的降低，電容式的方案會越來越多，電容式的方案的可制造性也會越來越強(qiáng)，體現(xiàn)在無論是工業(yè)應(yīng)用還是便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用；第三，由IPOD效應(yīng)引發(fā)的其他供應(yīng)商大量跟進(jìn)電容式觸摸感應(yīng)方案。

硬件方案和軟件方案

觸摸感應(yīng)的方案一般用在觸摸面板、觸摸按鍵、觸摸屏這類方面。醫(yī)療設(shè)備、工廠自動化、家用電器、汽車、手持通信設(shè)備、電腦外設(shè)等等都是飛思卡爾觸摸感應(yīng)方案包括專用芯片和軟件方案適用的領(lǐng)域。

硬件方案

在選用芯片時(shí)，可以針對不用領(lǐng)域進(jìn)行選擇，比如消費(fèi)級、工業(yè)級和汽車級的芯片等。

飛思卡爾的芯片硬件方案主要有MPR121：性能較高，1.71V至3.6V、12 個(gè)電極，鍵盤、I2C、3mmx3 mm 20QFN封裝；MPR031 ：小型方案，1.71V至2.75V、2 或 3 個(gè)電極，鍵盤、I2C、2 mmx2 mm 8UDFN 封裝；MPR083/084：基于MCU，1.8V至3.6V、8 個(gè)電極，轉(zhuǎn)輪和鍵盤、I2C， 5 mmx5 mm 16QFN；MC33941 ：電場感應(yīng)產(chǎn)品。

MPR121是飛思卡爾較新的專用的觸摸傳感器。它的明顯優(yōu)勢是功耗比較低，可以到29μA，低電源電流為便攜式應(yīng)用提供強(qiáng)大的低功耗優(yōu)勢。

達(dá)12個(gè)電極的檢測，每個(gè)電極和獨(dú)立設(shè)置，也可以把12個(gè)電極在內(nèi)部連接起來合成一個(gè)虛擬電極，進(jìn)行接近檢測，比如可以把手機(jī)拿起來貼近自己的臉。它可以同時(shí)具備按鍵檢測和接近檢測，工作電壓在1.71V至3.6V，具有在MPR031基礎(chǔ)之上第二代優(yōu)化的內(nèi)部算法，有獨(dú)立的自動算法和獨(dú)立校準(zhǔn)和自動配置功能。使用起來非常簡單，只需要一個(gè)外部元器件，一個(gè)濾波電容就可以工作了。不需要加其他的元器件就可以工作，使用方便簡單。

作為飛思卡爾觸電容式摸傳感器芯片第二代產(chǎn)品MPR121，有智能、靈活、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，有獨(dú)立的校準(zhǔn)功能，可以簡化觸摸應(yīng)用設(shè)計(jì)。隨著采樣率的降低，功耗也可進(jìn)一步降低。智能方面表現(xiàn)在可以對產(chǎn)品自動校驗(yàn)維護(hù)。靈活性表現(xiàn)在用戶使用上功能都是自動實(shí)現(xiàn)的，不需要設(shè)置，會根據(jù)電極的變化自動調(diào)整，比如環(huán)境溫度濕度變化時(shí)，并且走線簡單，使用起來方便靈活。

MPR121特性有：支持多達(dá) 12 個(gè)觸摸電極，1.71 V 至 3.6 V 的工作電壓，29μA 的平均電源電流。在 64ms 的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)對所有 12 個(gè)電極進(jìn)行監(jiān)控。對每個(gè)電極進(jìn)行連續(xù)的獨(dú)立自動校準(zhǔn)，每個(gè)電極有各自的觸摸和釋放跳變閾值，可提供回差以及各電極的獨(dú)立性?？沈?qū)動多達(dá) 8 個(gè) LED，或8 個(gè)任意組合的邏輯 I/O。具有3μA 的最大關(guān)斷電流。帶有終端口，可通知主機(jī)，比如有按鍵等，帶有 IRQ 輸出的 I2C 接口，可提示電極狀態(tài)的變化3mm×3mm×0.6 mm 20 腳QFN封裝，-40℃到+85℃的工業(yè)級工作溫度范圍。

MPR121如圖１所示。

圖１ MPR121

與此同時(shí)，MPR121還有配套的 Sensor Toolbox 開發(fā)工具，如圖2所示。包括MPR121 評估和開發(fā)板（一組四塊板）；基于經(jīng)過驗(yàn)證的 KITMPR03x 評估板；無鉛封裝的 DIP轉(zhuǎn)換器；一組帶有標(biāo)準(zhǔn)電極連接器的電極樣本。套件中還有評估軟件和下載。

軟件方案

軟件方案可以靈活應(yīng)用，因?yàn)檐浖桨覆⒉会槍δ骋粋€(gè)特定的芯片，可以選用任一個(gè)MCU，只要是MCU適合這個(gè)應(yīng)用，那這個(gè)軟件方案就可以適合這個(gè)應(yīng)用，所以是非常靈活的。

觸摸感應(yīng)軟件套件特征有：1.8V至5.5V，64 個(gè)電極，鍵盤、滑條、轉(zhuǎn)輪、矩陣與觸摸板、I2C、LIN、CAN、SPI、USB、所有的 S08 封裝選項(xiàng)。

圖2 MPR121配套的Sensor Toolbox開發(fā)工具

目前使用的是觸摸感應(yīng)軟件版本1.0，還會推出觸摸感應(yīng)軟件版本2.0，3.0，4.0。還陸續(xù)會推出薄膜概念方案、電感式概念方案、電阻式觸摸屏方案、多點(diǎn)觸摸概念方案等。

由于是用MCU實(shí)現(xiàn)檢測的，所以MCU的其他功能就能得到充分使用，并與感應(yīng)檢測同時(shí)協(xié)同工作，比如外部的LCD驅(qū)動、LED驅(qū)動、其他的外設(shè)，比如蜂鳴器、ADC和其他的傳感器，都可以同時(shí)用來工作。

飛思卡爾觸摸軟件感應(yīng)套件可將任何8位S08 MCU用作觸摸傳感器。TSS （Touch Sensing Software）能簡化用戶對接口的設(shè)計(jì)，讓客戶能夠在 10 分鐘內(nèi)從零開始，開發(fā)出一個(gè)應(yīng)用。TSS 能夠讓用戶界面獲得提升，可避免機(jī)械損耗和破壞的影響，增加產(chǎn)品的使用壽命，而且還讓設(shè)計(jì)人員獲得更大的靈活性，因?yàn)樗麄兛梢噪S意選擇使用任意一款的飛思卡爾MCU。TSS 是免費(fèi)的軟件，帶有低成本的開發(fā)工具，允許設(shè)計(jì)人員針對其應(yīng)用選擇最佳的 MCU 器件，并為他們多節(jié)省一個(gè)傳感器 IC 的成本。

觸摸感應(yīng)軟件套件解決方案的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示?？梢赃x擇不同的鍵盤類型、鍵盤數(shù)量和不同的MCU。若MCU的引腳有多余就可以利用來做電極。

圖3 觸摸感應(yīng)軟件套件解決方案結(jié)構(gòu)框圖

主要是用到MCU的內(nèi)部的一些運(yùn)算，用軟件的方法實(shí)現(xiàn)檢測，主要結(jié)構(gòu)在軟件算法，包括按鍵矩陣、轉(zhuǎn)輪、滑條、鍵盤，有各種各樣不同的算法來實(shí)現(xiàn)不同的按鍵類型檢測。軟件界面更加炫目，能以較低功耗實(shí)現(xiàn)接口方案。軟件的解決方案面向應(yīng)用，所以對API的接口設(shè)計(jì)充分，用戶可以簡單地應(yīng)用到這些軟件方案，與庫文件進(jìn)行接口。在方案中，考慮到各種按鍵的使用中情況，包括噪聲抑制的算法，有內(nèi)部的優(yōu)化的緩存結(jié)構(gòu)，支持64個(gè)電極任意排列的組合?？梢栽谶\(yùn)行的同時(shí)開啟或關(guān)閉任一個(gè)按鍵，并有自動重復(fù)等自動實(shí)現(xiàn)的算法，比如對粘滯按鍵、斷路按鍵、亂按鍵的情況都有響應(yīng)的自動算法處理。

與其他代碼的共存能力較強(qiáng)，占用資源少，對其他的應(yīng)用軟件影響較小。針對軟件的解決方案，也有相應(yīng)的一些開發(fā)工具，有一些評估板提供。有這些軟件和評估板工具，可以很快地連接使用。

問答選編

問：觸摸傳感器缺少傳統(tǒng)機(jī)械按鍵的手感，容易造成誤動作？這個(gè)問題怎么解決比較好？

答：在我們的軟件方案中，有很多防止誤觸發(fā)和誤檢測的算法，用戶也可以對一些參數(shù)進(jìn)行配置，可以保證檢測結(jié)果的靈敏性和正確度。

問：我下載了MPR121的Data Sheet 看了一下，發(fā)現(xiàn)MPR121的寄存器設(shè)置還是很豐富的。麻煩介紹一下各個(gè)寄存器的配置及配置過程中為匹配不同傳感電極形狀應(yīng)注意的取值范圍。

一般需要通過幾個(gè)步驟進(jìn)行寄存器配置才可以實(shí)現(xiàn)與電路的良好匹配，發(fā)揮MPR121最好的性能？

答：我們有MPR121的快速入門指南 (KITMPR121EVMQSG, URL: http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MPR121fpsp=1tab=Documentation_Tab)，用戶第一步可以參考該文檔進(jìn)行快速配置。

問： S08系列的任一款微控制器都適用于該軟件解決方案？是否可以理解為軟件方案只適合鍵盤檢測的觸摸感應(yīng)場合？

答：是的, 該軟件方案適用于任意一款S08系列的微處理器。目前該軟件除了支持觸摸按鍵還支持slider、rotator（Wheel），適合各種觸摸式人機(jī)交互場合，不局限于鍵盤檢測。

問：該觸摸感應(yīng)軟件的開發(fā)環(huán)境是什么樣的？可以支持C語言嗎？

答：采用飛思卡爾的Code Warrior開發(fā)環(huán)境，支持C語言編程。

問：使用TSS需要占用多少硬件資源和Flash空間？

答： TSS基本占用3.7kB的Falsh，105多個(gè)字節(jié)，具體根據(jù)你是否使用keypad，slider，rotator （解碼器）和按鍵的數(shù)量多少來決定, 但是增加的空間不是很多, 具體你可以參考TSS的spec. 例如一個(gè)20個(gè)鍵盤大占用5k Flash空間，130B~240B RAM。

問：請問專家電容式觸摸傳感器和電感式觸摸傳感器有什么區(qū)別？哪種更有優(yōu)勢？

答：其實(shí)這兩種方案并沒有本質(zhì)的區(qū)別。對于飛思卡爾的產(chǎn)品來說，電容式的方案檢測的距離更遠(yuǎn)，它的電極可以有很長的走線；而電感式針對的是按鍵檢測這種近距離的檢測，它的電極和檢測芯片通常是在同一塊PCB板上。

問：使用雙面板設(shè)計(jì)時(shí)，通常PCB的正面設(shè)計(jì)按鍵感應(yīng)圖形，在PCB背面進(jìn)行大面積鋪地（也可能會有接地的金屬支撐件）。這里有個(gè)問題，如果選用比較薄的PCB（如厚度0.8mm），對電容感應(yīng)靈敏度是否會有大的影響，如果有，應(yīng)該如何避免？

答：大面積的敷銅地會吸收電容檢測建立的電場，使得有效的觸摸信號小而背景靜態(tài)電容大，這又要看觸摸電極和背銅的相對大小，以及觸摸所導(dǎo)致的電容變化量有多大。一般電極有4mm×4mm的大小時(shí)0.8的PCB背銅影響已經(jīng)不大了。

問：當(dāng)每個(gè)電機(jī)達(dá)到各自的觸摸和釋放跳變閾值時(shí)，該MPR121觸摸傳感器是如何工作的？

答：MPR121有按鍵狀態(tài)寄存器可以讀取狀態(tài)， 同時(shí)狀態(tài)寄存器任意比特位的變化會觸發(fā)中斷引腳輸出。

問：MPR121自動校準(zhǔn)系統(tǒng)如何運(yùn)行的？校準(zhǔn)精度？

答：飛思卡爾的觸摸檢測方案可以判斷環(huán)境的緩慢變化和有觸摸發(fā)生時(shí)的快速變化，而且可以根據(jù)環(huán)境的變化自動進(jìn)行調(diào)整，保證檢測的靈敏度和可靠性。

問： MPR031在抗干擾上有什么措施？

答：飛思卡爾的觸摸檢測方案有一些特殊的算法來保證有良好的抗干擾能力，例如它有內(nèi)置的硬件和軟件濾波，有回差和去抖的設(shè)置等等。

問：第二代的觸摸傳感器是否可以在潮濕的環(huán)境中使用？對于電磁干擾是否敏感？

答：第二代的觸摸傳感器可以在潮濕的環(huán)境中使用。MPR03x和MPR121可以在電磁干擾的環(huán)境下工作例如手機(jī)，根據(jù)具體設(shè)計(jì)環(huán)境在濾波和layout設(shè)計(jì)上要注意。

問： MPR121對于供電的要求能有哪些？紋波最好控制多大以下？

答：在VDD引腳供電時(shí)不用很講究應(yīng)為內(nèi)部有穩(wěn)壓電路，在有VREG供電時(shí)，最好在100mV以下，此時(shí)輸出有最大有2LSB～3LSB的變化。

問：當(dāng)電容式接近感應(yīng)方案系統(tǒng)中的供電電壓偏低時(shí)，會否影響感應(yīng)效果?

答：當(dāng)電壓不同時(shí)，電容充放電的速度不同，所以檢測的閾值也不同。但只要電壓保持一致，是不會影響檢測效果的。

問：只能用PCB電極么？MPR121有透明電極的方案么？用于小屏的12分區(qū)觸摸方案（智能家居的墻面終端，要求低成本）。

答：不是只能用PCB電極。只要能形成一定電容感應(yīng)的材料都可以用。MPR121可以支持低分辨率的觸摸屏例如12分區(qū)的ito。

問： MPR121在使用過程中，對覆蓋電極上面的不同材料（如：塑膠、玻璃、亞克力）以及電極圖形對觸摸靈敏度的影響是怎么樣的？另外，我們公司產(chǎn)品一般以4mm厚的LED背光源覆蓋在PCB感應(yīng)電極上，是否可以可靠檢測？最大的感應(yīng)距離大概會在什么區(qū)間？

答：電容檢測的靈敏度和很多因數(shù)相關(guān)，比較明顯的是電極形狀的大小，覆蓋材料的厚度，對4mm厚的亞克力覆蓋材料電極一般為10mm×10mm，有相當(dāng)好的信噪比，具體的尺寸和距離要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)來確定。

問：飛思卡爾更智能的觸摸傳感解決方案是否也有壽命限制？一般而言能有多長工作壽命？

答：只要芯片和PCB本身沒壞，這種觸摸檢測就會一直有效。

問：請問對觸摸電極的分布電容值有沒有要求？

答：有的。分布電容太大，會導(dǎo)致電極的整體電容偏大，從而影響檢測的精度。一般分布電容最好在100pF以下。

問：MPR121提供12個(gè)電極，是否只能支持12個(gè)按鍵，還是可以通過行列方式支持更多的按鍵？

答：MPR121有12個(gè)電極以及12個(gè)相應(yīng)的觸摸狀態(tài)位報(bào)告，MCU可以簡單的讀取狀態(tài)來處理按鍵。另外MPR121有4個(gè)可選 的 I2C地址，所以一個(gè)系統(tǒng)中可以用4片MPR121，可以簡單的擴(kuò)張到48通道。因?yàn)镸PR121在狀態(tài)寄存器外還同時(shí)提供電容測量數(shù)據(jù)寄存器，如果用戶有上層的軟件可以進(jìn)行比較高級的算法處理，這樣也可以通過通道復(fù)用的行列方式擴(kuò)展有效通道，比如用一片MPR121擴(kuò)展為36通道（6×6），此PCB layout相對復(fù)雜。