由于可通過(guò)厚度各異的玻璃或塑料表層感測(cè)手指的存在，電容性觸摸感測(cè)技術(shù)為眾多應(yīng)用領(lǐng)域(包括工業(yè)和白色家電)的人機(jī)界面增加了堅(jiān)固性。筆記本電腦采用的觸摸板就是人們最為熟知的電容性觸摸感測(cè)實(shí)例。近年來(lái)，多款暢銷的MP3播放機(jī)也已開始采用電容性觸摸感測(cè)技術(shù)提供簡(jiǎn)易導(dǎo)航，并普及電容性觸摸感測(cè)輸入法。

　　不過(guò)，該技術(shù)的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法采用靈活性欠佳、高成本的模塊型設(shè)計(jì)解決方案，并涉及使用授權(quán)等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出了一款名為CapSense的新型設(shè)計(jì)方法，消除了模塊的“黑匣子”障礙，可實(shí)現(xiàn)迄今為止成本最低的解決方案。
 

圖1：簡(jiǎn)單的電容性開關(guān)。

　　有些觸摸感測(cè)技術(shù)看起來(lái)與電容性觸摸感測(cè)技術(shù)很相似(例如，電阻性薄膜和場(chǎng)效應(yīng)等)，但最終的性能對(duì)比卻顯現(xiàn)出不足。電阻性薄膜測(cè)量的是覆蓋在顯示屏上的兩個(gè)電阻性薄板之間的電壓變化，電阻性薄膜不僅價(jià)格昂貴，而且容易磨損，使用壽命不長(zhǎng)。

　　而場(chǎng)效應(yīng)則是檢測(cè)電場(chǎng)的變化，這種變化會(huì)在存在導(dǎo)電元件時(shí)發(fā)生。目前，場(chǎng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)方案的造價(jià)非常昂貴，因?yàn)樗枰粋€(gè)系統(tǒng)控制器，而且每個(gè)開關(guān)都將增設(shè)一個(gè)IC。由于每個(gè)IC傳感器都必須與附近的傳感器隔離開，因此，場(chǎng)效應(yīng)設(shè)計(jì)欠缺靈活性，存在一定的局限性，實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)具有任何有效分辨率指標(biāo)的滑塊和觸摸板。場(chǎng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)方案在制造過(guò)程中常常需要進(jìn)行成本高昂的開關(guān)校準(zhǔn)。

　　與上述兩種觸摸感測(cè)技術(shù)相比，電容性觸摸感測(cè)的靈活性要高得多，而且成本也低得多。其基本原理是：導(dǎo)電元件的接入使電容性開關(guān)上的充電電壓發(fā)生改變。(最簡(jiǎn)單的電容性開關(guān)只包括兩個(gè)相鄰的導(dǎo)電板，如圖1所示)。這種實(shí)測(cè)的電容變化量可被用來(lái)提供許多高度靈活的輸入配置，例如從按鈕、滑塊和觸摸板到面向安全應(yīng)用的鄰近探測(cè)器等。

基于PSoC的CapSense方案

　　CapSense基于賽普拉斯的PSoC混合信號(hào)陣列技術(shù)。通過(guò)與特定客戶(這些客戶的應(yīng)用需要一種靈活的單一IC架構(gòu)，能以比模塊型解決方案更低的成本、更高的靈活性方便地集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中的)的密切合作，賽普拉斯的PSoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最終實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的CapSense方案。
 

圖2：張弛振蕩器方框圖

　　采用模塊型解決方案時(shí)，客戶不得不為模塊供應(yīng)商所做的模塊重新設(shè)計(jì)支付費(fèi)用。因此嵌入式產(chǎn)品工程師迫切需要一種新方法，以便能夠通過(guò)提供用于快速實(shí)現(xiàn)獨(dú)特解決方案的方法來(lái)獲得主動(dòng)權(quán)。這種具有獨(dú)特可配置性的PSoC架構(gòu)和新型直觀軟件工具共同實(shí)現(xiàn)了CapSense方案。

　　CY8C21x34和CY8C24794 PSoC器件均包括一個(gè)可由DAC來(lái)調(diào)節(jié)的電流源、比較器和復(fù)位開關(guān)的自動(dòng)連接，以及一個(gè)獨(dú)特的模擬多路復(fù)用總線。該模擬多路復(fù)用總線使得所有的被測(cè)通道都能由一個(gè)共用的比較器和電流源來(lái)運(yùn)行。這就是說(shuō)：CY8C21x34器件的每一個(gè)IO(共28個(gè)IO)以及CY8C24794器件中的48個(gè)IO均可被用于CapSense開關(guān)。相比之下，同類競(jìng)爭(zhēng)解決方案則往往需要采用多路復(fù)用器和多個(gè)IC才能提供數(shù)量相當(dāng)?shù)拈_關(guān)。而PSoC的集成能力更加出色，而且節(jié)省了大量的BOM成本。

　　PSoC架構(gòu)不僅具有優(yōu)越的電容性觸摸感測(cè)適應(yīng)性，而且用于處理測(cè)量電容變化的技術(shù)也是最佳的，原因有二：它是一種公開的技術(shù)(不會(huì)受到昂貴的專利使用費(fèi)的限制)，而且，它是采用易用型設(shè)計(jì)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

張弛振蕩器技術(shù)

　　張弛振蕩器技術(shù)是PSoC器件執(zhí)行電容性觸摸感測(cè)所采用的特定方法。圖2所示為實(shí)現(xiàn)張弛振蕩器所采取的PSoC器件配置方式。

　　張弛振蕩器由一個(gè)電容性開關(guān)、一個(gè)充電電流源、一個(gè)比較器、一個(gè)復(fù)位開關(guān)、一個(gè)PWM和一個(gè)定時(shí)器組成。電容器上的電壓進(jìn)行線性充電，直至達(dá)到門限為止，觸發(fā)比較器輸出高電平。這將啟動(dòng)開關(guān)，隨后使電容器上的電壓復(fù)位至地(這樣充電周期就能夠再次啟動(dòng))。其振蕩波形如圖3所示。 
 

圖3：張弛振蕩器波形。

　　該振蕩的輸出頻率取決于電容值(Cp)和充電電流。如果一個(gè)額外的導(dǎo)電元件(比如手指)不在開關(guān)上，則Cp僅由寄生電容組成。如果手指存在，則Cp數(shù)值變大，這是因?yàn)槌思纳娙葜猓€包括導(dǎo)電元件所形成的附加電容。電容越大，充電時(shí)間越長(zhǎng)，振蕩頻率也就越低。振蕩的頻率與振蕩器輸出所驅(qū)動(dòng)的電容大小相對(duì)應(yīng)。數(shù)字計(jì)數(shù)塊提供了一個(gè)計(jì)數(shù)值(n)，該計(jì)數(shù)值可被用于確定電容性開關(guān)是否已被啟動(dòng)。

　　數(shù)字計(jì)數(shù)塊可通過(guò)配置提供兩種不同的測(cè)量方法：頻率測(cè)量和周期測(cè)量。(周期測(cè)量法見圖3)。顧名思義，這些測(cè)量方法的不同之處在于被測(cè)物理量。在周期測(cè)量法中，PWM的頻率是固定的，而周期長(zhǎng)度是由張弛振蕩器來(lái)決定的。相反，頻率測(cè)量技術(shù)具有一個(gè)固定的周期，測(cè)量的是PWM頻率的變化(它是由張弛振蕩器的頻率決定的)。在這兩種場(chǎng)合中，PWM輸出都將啟用一個(gè)定時(shí)器，該定時(shí)器的計(jì)數(shù)值(n)可與一個(gè)特定的門限相關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的接通/關(guān)斷開關(guān)?；蛘?，由于一個(gè)開關(guān)可具有高達(dá)1/256的內(nèi)插分辨率，因此，定時(shí)器的計(jì)數(shù)(n)可被用來(lái)確定滑塊或觸摸板的位置。易用型PSoC Designer軟件使得上述兩種方法均能夠輕松實(shí)現(xiàn)。 
 

圖4：CSR配置向?qū)?/td>

簡(jiǎn)易型功能塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化

　　PSoC器件是一款帶板載8位控制器并具有高靈活性的復(fù)雜混合信號(hào)陣列。芯片的大部分是由模擬和數(shù)字塊組成，這些模擬和數(shù)字塊受控于可通過(guò)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)板載外設(shè)(比如：PWM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、ADC、可編程增益放大器以及許多其他的部件，均隸屬于同一個(gè)器件)的寄存器。由于PSoC器件基于閃存，因此，這些功能塊可進(jìn)行50,000次的重復(fù)配置，甚至可以隨意進(jìn)行重構(gòu)。

　　嵌入式產(chǎn)品工程師能夠快速地逐個(gè)完成這些功能本身的配置，并在寄存器級(jí)上與PSoC器件互動(dòng)；他們也可以通過(guò)采用PSoC Designer(可從www.cypress.com網(wǎng)站免費(fèi)下載)用戶模塊進(jìn)行功能塊級(jí)器件配置控制的方法來(lái)節(jié)省大量的設(shè)計(jì)時(shí)間。PSoC Designer包括50多個(gè)用戶模塊庫(kù)。在用戶模塊的選擇過(guò)程中，賽普拉斯為工程師提供了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)向?qū)Ш蛥?shù)表。

圖5：培訓(xùn)電路板(CY3212 - CapSense)

　　每個(gè)用戶模塊都自動(dòng)對(duì)適合的PSoC寄存器進(jìn)行配置，并提供一組應(yīng)用編程接口(API)。這些API使工程師擁有了簡(jiǎn)化代碼的能力，只需要兩行代碼即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)PWM。

　　這種基于簡(jiǎn)易型功能塊的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也適用于電容性觸摸感測(cè)。CSR用戶模塊(Capacitive Switch Relaxation Oscillator，電容性開關(guān)張弛振蕩器)提供了下拉參數(shù)設(shè)置、GUI配置向?qū)Ш驮敿?xì)的產(chǎn)品手冊(cè)，用于解答與電路板布局和雙工有關(guān)的問(wèn)題，以造就效率更高的滑塊或觸摸板實(shí)現(xiàn)方案。圖4顯示出基于CSR GUI配置向?qū)У囊环掌?詳見網(wǎng)站)。

　　除了用戶模塊之外，賽普拉斯還提供了一些相關(guān)的應(yīng)用筆記(《AN2233a：電容性開關(guān)掃描》和《AN2292：PSoC CapSense的布局指南》)，可給予工程師更多的設(shè)計(jì)支持。兩塊演示電路板，再加上用戶指南、支持固件和應(yīng)用筆記，便構(gòu)成了基本的CapSense設(shè)計(jì)(CY3220-FPD和CY3220-Slider)。為了向初次接觸CapSense的設(shè)計(jì)師提供幫助，賽普拉斯還奉獻(xiàn)了一款培訓(xùn)套件，該套件提供了有關(guān)CapSense實(shí)現(xiàn)方案的詳細(xì)指導(dǎo)手冊(cè)。它包括一塊培訓(xùn)電路板(見圖5)。培訓(xùn)套件、易用型設(shè)計(jì)工具、靈活且功能出眾的架構(gòu)，以及無(wú)專利測(cè)量技術(shù)的組合，使得PSoC CapSense成為所有電容性觸摸感測(cè)設(shè)計(jì)的理想選擇。

作者：Matt Basinger

賽普拉斯半導(dǎo)體公司