电容感应触摸技术-CapSense系统设计实例

　　摘要

　　用于 CapSense 系统设计的最佳实践终于面世了。其中所涵盖的主题包括感应方式、布板(PCB Layout)和布局指南以及 CapSense 工具和技术概述。

　　引言

　　在便携式媒体播放器和移动手持终端等大容量、高可视性产品的应用中，电容式感应作为一种接口技术已被广泛采用。此举使更多的常规消费类电子产品产生了对该技术的需求，进而引起了技术的显著创新和多种竞争技术的出现。虽然这些技术各有千秋，但基本原理都是Sensor与其环境之间的电容变化的测量。

　　我们对可编程模块和固定功能的 IC 进行对比，由于可编程 IC 将可定制码用于开发解决方案，因此它允许在设计方面具有更大的灵活性。PSoC® CapSense 将微处理器、可编程的数字和模拟源、片内存储器和其他特性相结合，从而在电容式系统设计中实现了最大的灵活性。本应用手册简要描述了用于 CapSense 设计的最佳实践。

　　图 1 PSoC 模拟与数字模块可用于配置 CapSense 及其它功能

　　PSoC 架构允许设计人员将多个电容式感应设计元件整合到一种应用中。比如按钮、滑条、触摸板和接近式感应，在相同的电路中利用同一器件就可同时对这些元件提供支持。可使用 PSoC 来扫描电容式Sensor，并驱动 LED、控制马达、驱动扬声器等等，如图 2 所示。一种称为动态重构的概念使 CapSense 应用可根据需要即时进行重新配置，从而能够利用大于 100% 的系统资源。

　　图 2 采用 CapSensePlus 技术的应用实例：采用单个 PSoC还可实现马达、LED、以及扬声器等

　　1、易于配置的电容式感应解决方案

　　PSoC 可实施不同的 CapSense 方式(见参考书目 [1])。所需的具体特性决定了感应的方式。如果最需要的是电池使用寿命并且要在 2.7V 电压下工作，那么CSA 的感应方式就是最明智的选择。但如果想拥有 CapSense 和其他特性，例如高噪声抗扰度和厚覆盖物，则 CSD 感应方式就是其最佳选择。

　　1.1. CSA 感应方式

　　CSA 是指 CapSense 逐次逼近感应方式，只能在 CY8C20x34 PSoC 系列器件中应用。

　　图 3 CSA 结构图

　　图 3 显示了 CSA的原理方框图，其工作流程如下：

　　开关 SW1 和 SW2 与 感应电容 CX 形成了一个开关电容网络，该网络可以等效为电阻。通过将 iDAC 设置到校准电平并使 SW1 和 SW2 切换，从而将 CMOD 上的平均电压设定为随 CX 值而变化的电平。另外可设置 iDAC 至低电流电平并保持 SW2 打开，使得 CMOD 上的电压斜坡上升。在 CMOD 上用于达到 VREF 的斜坡电压的时间表示 CX 值。在比较器输出端的定时器可将斜坡时间转化为具体的数值。

　　在没有手指接触时，通过逐次逼近方式来确定需要的 iDAC 设置，从而使 CMOD 上的电压保持在 VREF，这样即可实现系统自校准。系统将为所有sensor存储单独校准的 iDAC 设置。

　　当手指接触时，CMOD 上的电压会处于更低的电压电平，这需要更多的时间才能达到阈值电压 VREF，如图 4 所示。如果 (t2-t1) 足够长，按钮就是处于手指接触(Finger-Present)状态，否则按钮就是处于手指离开(Finger-Absent)状态。

　　高达 100 pF 的内部可编程电容可用于 CMOD，但是更大的外部电容能够提升性能：按钮和滑条的电容为 1000 pF，而接近式感应则为 10 nF。推荐将 560 欧姆的串联电阻与所有 CapSense 输入串联以避免 RF 干扰。

　　图 4 在手指离开与手指接触的情况下，CSA 波形的变化

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　　1.2. CSD Sensing Method

　　1.2. CSD 感应方式

　　CSD stands for CapSense with Sigma-Delta A/D. CSD is implemented in both the CY8C21x34 and CY8C24x94 PSoC device families.

　　CSD 是指 CapSense Sigma—Delta调制电容感应，其可在 CY8C21x34 和 CY8C24x94 PSoC 系列器件中应用。

　　Figure 5. CSD Configuration of CapSense

　　图 5 CSD 结构图、

　　图 5 显示了 CSD的原理方框图，其工作流程如下：

　　开关 SW1 和 SW2 与 感应电容CX 形成一个开关电容网络，从而在 VDD 和 CMOD 之间具有一个等效电阻。等效电阻的值由 CX 控制。SW1 和 SW2 的开关由 PRS 生成器的伪随机序列进行控制。SW3 工作时与 SW1 和 SW2 不同步。将 RB 切换至接地时，CMOD 上的电压会下降。当 RB 接通时，CMOD 上的电压又会上升。比较器会根据 CMOD 上相对于 VREF 的电压而更改状态。

　　可通过添加 16 位定时器形成 Sigma- Delta A/D，以测量比较器高电平持续时间至比较器低电平持续时间。

　　当手指接触时，CX 会变大而 VDD 的等效电阻变小，这就能允许更多电流流入 CMO。比较器将花费更多的时间在 CMPHIGH 状态上，而 CMPLOW 状态的时间则会更少。如果 CMPHIGH/CMPLOW 的比率足够高，那么按钮就会处于手指接触状态，否则按钮就会处于手指离开状态，如图 6 所示。

　　Figure 6. CSD Waveform Changes With Finger Absent/Present

　　图 6 在手指接触与手指离开的情况下，CSD 波形的变化

　　与固定时钟源相比，PRS 更能有效降低噪声。推荐采用 3900 pF 的 CMOD 值。RB 要求调谐至sensor以获得最佳性能，其值大约为 5K-10K。推荐将 560 欧姆的串联电阻与所有 CapSense 输入串联以避免 RF 干扰。

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　　2. How to Design CapSense Printed Circuit Boards

　　2、如何设计 CapSense 印刷电路板

　　在典型 CapSense 应用中，可通过印刷电路板 (PCB) 的布线来形成电容感应。下列指南说明了如何设计 CapSense PCB(见参考书目 [2])。

　　2.1. 布线布局指南

　　电路板面积：CapSense 所需的电路板面积只比感应区自身稍大。Sensor周围的电场非常局限，尤其将接地层和Sensor铜箔置于相同的 PCB 层上时更为如此。

　　PSoC 布局：使 PSoC 与Sensor之间的距离保持最小化是一个不错的做法。通常将 PSoC 与其他组件一起贴装到底层，而将 CapSense Sensor置于顶层上。

　　板层：最常见的 PCB 为双板层，Sensor和栅格地层位于顶层，而其他器件则处于低层。当板区必须最小化时可采用四层板。典型的设计为处于顶层的Sensor，第 2 层走线，第 3 层为接地层，然后其他都在底层，如图 7 所示。不要直接在Sensor下布线。

　　图 7 板级空间有限时，CapSense 电路扳的四层布板情况

　　电路板厚度：目前发现基于 FR4 的设计可采用的标准电路板厚度为 0.020" (0.5mm)、0.047" (1.2 mm) 和 0.063" (1.6 mm)。那么电路板多薄才合适呢?一个经验法则就是Sensor与接地层之间的间隙应比其至接地层的垂直距离要小。

　　走线长度和宽度：必须使走线和Sensor的寄生电容 CP 最小化以确保系统的动态范围尽可能大。那么走线到底应该多长呢?在成功的 CapSense 产品中，用于滑条的最长走线是 9" (230 mm)，而用于按钮的最长走线是 12" (300 mm)。(这个极限值示例要求更大的Sensor和更薄的覆盖物,以最大化来自Sensor的信号。)走线宽度将添加至Sensor CP，并且会增加耦合至其他层上的元件。0.0065" - 0.008" (0.17 - 0.20mm) 的走线宽度能满足大多数应用的需要。

　　过孔：应使用最少的过孔并与 CapSense 输入的走线保持一致以最小化 CP。可在Sensor上的任何位置进行过孔布置，如图 8 所示。

　　图 8 触摸板的过孔可以在Sensor的任何位置(底层走线、顶层Sensor)

　　通讯信号走线：电容式感应走线不要接近或并行于高频通讯信号走线，例如 I2C 或 SPI 主控制器。如果需要让通讯信号走线与Sensor引脚交叉，那么应确保二者彼此垂直。是减小通讯信号走线和Sensor走线之间交互的有效方式之一，就是通过端口分配来实现隔离。端口引脚 P1[0] 和 P1[1] 用于编程和 I2C，并且如果没有其他引脚可用就应该仅用于 CapSense。

　　铺地层：为了使 CP 最小化，推荐在Sensor层上进行 40% 的铺地，而非Sensor层则进行 60-80% 的铺地。

　　图 9 最小化 CP 的部分铺地

　　覆盖物厚度：表 1 针对 PSoC CapSense 应用(塑料覆盖物)列出了所推荐的最大覆盖物厚度。介电常数在确定覆盖物厚度时起到一定的作用。普通玻璃其介电常数 εr ≈8，而塑料的介电常数 εr≈2.5。对于相同水平的灵敏度，根据 εr /2.5 的比率就能估算出塑料覆盖物的厚度。依据这种经验法则，对于同一灵敏度的普通玻璃覆盖物的厚度就应大约是塑料覆盖物厚度的三倍。

　　表 1 针对CapSense 应用推荐使用的塑料覆盖物的厚度

　　信号和噪声都会受到覆盖物属性的影响。当覆盖物的厚度增加时，信号和噪声都会减弱。其中典型的关系曲线如图 10 所示。可将信号定义为手指接触和手指离开状态平均输出中的差值。噪声可以定义为在手指离开的状态下输出的峰-峰值差。

　　图 10 随着覆盖物厚度的增加，信号电平开始下降

　　覆盖物粘合剂：覆盖物材料必须与感应 PCB 保持良好的机械接触。3M 公司可提供两种广泛使用的非导电性粘合剂，其可用于覆盖物 467MP 和 468MP。

　　手套：如果Sensor必须在戴手套的情况下工作，那么在设计按钮尺寸时应将手套材料的厚度添加到总的覆盖物厚度中。干皮革和橡胶与塑料类似，其介电常数介于 2.5-3.5 之间。滑雪手套的介电常数为 2 或更小，这取决于手套绝热的空气含量。

　　LED 背光：CapSense 能够与 LED 背光一起出色地工作，仅需在感应铜箔上截一个孔并保持 LED 走线位于电路板的底层即可。

　　一个 PCB 上有多个 PSoC：对于拥有许多按钮的系统来说，例如键盘，系统设计时可能要求具有两个或多个专用于 CapSense 的 PsoC。如果情况确需如此，就应隔开按钮以便使铺地从每个按钮组的走线中独立出来。此举可防止独立的 CapSense 组之间发生耦合。

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　　2.2. 按钮

　　按钮的功能是判断导体是否存在。CapSense 按钮的典型应用是感知手指的触摸。

　　形状：用于感知手指触摸的推荐形状为实心圆形，如图 11 所示。

　　图 11 推荐使用的形状为实心圆形

　　当按钮周围的间隙增加时电容 CP 反而会降低。CP 与间隙的曲线关系示例如图 12 所示，图 12 还显示了三种按钮尺寸(直径5mm、10mm和15mm)的情形。

　　图 12 CP 为按钮接地间隙与按钮直径的一个函数 (0.062" 厚度, FR4)

　　保护性覆盖物越厚，按钮直径就应越大。图 13 显示了按钮直径的使用指南。对于 1mm 厚的有机玻璃覆盖物，推荐的按钮直径是 9mm。

　　图 13 按钮直径与覆盖物厚度的关系

　　2.3. 滑条

　　滑条是一个Sensor阵列。相邻电容元件之间的变化可用于确定导体的位置。通过使用中心点计算即可在固件中确定接触点位置。

　　滑条段 (slider segment) 必须足够小以便于多个片段能与手指接触，如果足够大的话，就会产生通过覆盖物所需的信号电平。锯齿形状很适合于滑条，滑条段最好有 5 个或以上。滑条的最大长度只受到 PSoC 中可用 IO 引脚的限制。典型的滑条形状如图 14 中所示。上面每个滑条片段的条形图代表了Sensor输出。

　　图 14 使用滑条产生的锯齿图案

　　滑条复用：如果 IO 引脚数目有限，那么将两个滑条段连接到一个 PSoC 引脚上就能使 PSoC 感应滑条段数量翻倍。CapSense 用户模块向导支持用户选择这种接法并将其作为引脚分配的选项，并且用户模块 API 能正确地确定手指所触摸的半边滑条。请注意，将每个 CapSense 输入引脚连接至两个滑条片段会使 CP 翻倍，但信号不会有任何增多。

　　2.4. 触摸板

　　CapSense 用户模块不直接支持触摸板，但可将触摸板作为两个独立的滑条使用。所有适用于滑条的指南同样也适用于触摸板。

　　图 15 利用两个 CapSense 滑条实现触摸板，一个用于 X 轴，一个用于 Y 轴

　　CapSense 触摸板的典型示例就是有着 20列滑条(X 轴)和 10行滑条(Y 轴)的设计。总共要将 30 个引脚用于 CapSense 输入。活动区域的尺寸为 3.9" x 1.9" (99 mm x 47 mm)，覆盖物为 0.010" (0.25 mm) 的 ABS 塑料层。行和列Sensor之间留有 0.2" (5 mm) 的间距。基准线噪声电平在手指离开状态下是单一的计数。手指在触摸板上会产生 15 个计数的差分信号，这会导致 24dB 的信噪比 (SNR)。设置中心点算法即可确定每个行对和列对之间的 20 个位置，该触摸板系统的分辨率每英寸计数 (CPI)为 100。

　　2.5. 接近式感应

　　CapSense 用户模块不直接支持接近式感应，但可将接近式感应可以由大 CP 和计数差值小的 CapSense 按钮来实现。专用接近式感应的最佳实施办法是作为单一的线路长度，如图 16 所示。把 CapSense PCB 上的按钮和滑条连接至单一的大Sensor，这是实施接近式感应的另外一种技术。

　　图 16 接近式感应原型的后视图

　　2.6. 柔性电路

　　柔性电路能很好适用于 CapSense。在印刷电路板中提到的所有相同的指南同样也适用于柔性电路。柔性电路通常比 PCB 要薄一些。通过使用不薄于 0.01" (0.25 mm) 的柔性电路来限定 CP，并且可将走线长度限制为几英寸。柔性电路的一个良好特性是 Kapton 材料(290 KV/mm)可提供高击穿电压。

　　2.7. ITO 触摸屏

　　ITO 是铟锡氧化物的英文缩写。这种陶瓷材料的薄膜不仅可以导电，而且非常透明。ITO 触摸屏的示例如图 17 所示。ITO 薄膜的电阻率范围为 0.25-1000 欧姆/平方，并且其典型值介于 100-500 欧姆/平方之间。薄膜的厚度决定了电阻率。材料越薄，通过的光线就越多，其产生的电阻也会越大。反之，材料越厚，通过的光线就越少，其产生的电阻也会越小。

　　触摸屏可运行于电阻式或电容式下。两种模式都有其适合市场。电阻式要求存在压力以使导电层保持接触，更容易磨损和破裂。这种模式是一种具有较差透明度(<75%)的四层板解决方案。电容式可使用手指作为导体。该模式是一种具有较高透明度(>90%)的单层板或双层板解决方案。赛普拉斯能同时支持这两种触摸屏技术。

　　图 17 ITO 触摸屏

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　　3. 从概念到生产：CapSense 工具和技术

　　3.1. 评估板和示例

　　图 18 CY3212-CapSense 培训评估板

　　如图 18 所示，CY3212 板是一款用于 CapSense 应用开发的评估板。应用固件上写有“C”字样。通用功能库使得项目开发就和写入几行代码一样的简单。

　　此处的代码示例其目的是要求在一个按钮阵列中扫描两个Sensor并将结果保存到 I2C 阵列中。

　　代码 1

　　3.2. 基准线技术

　　Baseline是用于 CapSense 测量的参考线。每个电容式Sensor都有其自身的基准线。对电容式Sensor数据来说，Baseline就是一种基准线，这些数据可通过 CapSense 用户模块的基准线进行比较、计算得出。可IIR低通滤波器来处理原始计数数据，如图 19 所示。例如手指接触和手指离开状态，都是基于基准线建立的参考电平。

　　图 19 Baseline就是 CapSense 数据的基准线，该数据不断更新

　　3.3. 环境影响

　　温度和湿度：温度和湿度都会导致基准线计数随时间漂移。CapSense 用户模块具有从 -40ºC 到 +85ºC 的特征，如图 20 所示。由基准线所追溯的趋势可自动补偿温度和湿度所造成的不良影响。

　　图 20 混度变化(原始计数会随温度漂移，湿度也具有相似的影响)

　　水：当覆盖物上出现雾状沉淀或者有小水滴溅到Sensor上时，CapSense 仍然能够可靠运行。可通过灵巧的机械设计来处理有水情况。设计Sensor时使其垂直或保持一定角度以使水能迅速流出表面;并且在Sensor外面区域的覆盖物上增加沟槽以帮助水分流掉。另外，还使按钮突出以防止水坑的形成。

　　CapSense 在置于水中或持续的水流流经Sensor的情况下， 将无法正常工作。

　　3.4. 功耗和休眠

　　电池使用寿命以毫安/小时表示。平均电流越低，CapSense 工作时间就会越长(见参考书目 [3])。可对 PSoC 进行编程以使其具有不同的功耗模式。

　　在连续触摸按钮时，处于快速响应模式。

　  经过一段时间没有动作时，处于省电且缓慢响应的模式。

　  长时间没有动作时，处于深度休眠模式。

　　与其他电容感应解决方案相比，PSoC 的优势之一是其可编程性。用户可根据需要，使 CapSense 进入省电模式。CapSense 按钮的响应速度非常之快，每扫描一次按钮仅需 200 微秒。可将这种高扫描速度与低休眠电流相结合以获得很低的平均电流。CapSense 系统的一个实例是处于省电且缓慢响应模式时，可每 100 毫秒对三个按钮扫描一次，而其消耗的平均电流不足 50 μA。

　　3.5. 噪声过滤

　　通过传导和辐射源会将噪声引入到 CapSense 系统中。传导性噪声可通过电源和信号线路进入系统。蜂窝电话或荧光灯镇流器之类的辐射源可通过空气引入噪声。当这两种类型的噪声都存在时，固件中的过滤技术可用于增大 CapSense 系统的信噪比 (SNR)。PsoC 仅仅需要几行代码就能够实施FIR 和 IIR 数字滤波器。

　　FIR 滤波器：与电源线路噪声的频率相比，手指触按事件的频率会偏低。在此情况下，低通滤波器 (LPF) 就成为一种非常高效的噪声过滤解决方案。FIR LPF 可定义如下：

　　y = ( x1 + x2 + … + xN ) / N (1)

　　每个噪声周期会对原始计数采样 N 次。N 个采样可根据公式 (1) 结合到一起。在 50 Hz 的噪声环境下，采样周期必须为 18 ms/N。FIR 滤波器的性能会随着 N 的次数增加而提高，因此只要系统允许就应使 N 值尽可能大。

　　IIR 滤波器：FIR 滤波器在这方面的不足之处是它需要采用比 IIR 更高阶的滤波器才能获得相同的结果。这也许会使我们难以调节采样速率以使其与噪声周期相吻合。因此在某些时候，对 LPF 来说，IIR 滤波器是更为合适的选择。表 2 对 FIR 滤波器和 IIR 滤波器进行了具体比较。

　　表 2 低通滤波器 FIR 与 IIR 的比较

　　3.6. RF 抗干扰性考虑因素

　　RF 可干扰任何电容感应系统的运行，包括 CapSense(见参考书目 [4])。在电场强度足够高的地方，RF 干扰会导致误判的按钮触摸事件，或者妨碍了真正的按钮触摸感应。蜂窝电话就是很好的例子，其将 RF 发送器和按钮近距离地有意结合到一起。

　　从发送器开始超过 1/6 波长距离的电场强度可通过公式(2)近似得出。

　 E [伏特/米]=电场

　 P [dBm] =供给天线的 RF 功率

　 D[英寸]=天线至感应Sensor的距离

　　对于在 +28 dBm (0.6W) 功率下发射信号的 800 MHz 蜂窝电话，距离天线3"的电场可估算出大约为 60 V/m。

　　图 21 显示了在 RF 干扰情况下的等效电路，例子中采用经过配置的 PSoC 来运行 CapSense 内部的二极管以保护 PSoC 免受 ESD 事件影响，最高可达 2 KV。

　　图 21 PSoC 输入端的二极管可提供 ESD 保护

　　走线的谐振效应可形成接收器天线。四分之一波长的走线就是一款高效的天线。图 22 显示了四分之一波长的天线与频率的关系曲线。

　　图 22 四分之一波长的走线就是一款高效的天线

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　　对于低电平的 RF 信号，CapSense 电路不会对系统的数字输出有任何的影响，因为低电平的 RF 信号看起来像是背景噪声，因而系统往往会忽略这种噪声。当 RF 功率增加时，CapSense 计数会偏移恒定的数量，该数量可通过干扰的功率电平进行设定。RF 信号为交流信号，但是由于 CapSense 输入端上二极管的作用使得对 CapSense 计数的影响却是直流信号。计数中的正漂移可导致误判的按钮触摸事件，而负偏移则会妨碍感应到真正的按钮触摸。CapSense 用户模块的手指和噪声阈值允许在计数中存在小偏移，在此情况下仍可正常工作。对于高电平的 RF 干扰，就需要采用其他的测量办法。以下是两种可用的解决方案：