電容式感應(yīng)技術(shù)正在迅速成為面板操作和多媒體交互的全新應(yīng)用技術(shù)，其耐用性和降低BOM成本方面的優(yōu)勢(shì)，使這種技術(shù)在非接觸式操作界面上得到廣泛的應(yīng)用。本文采用PSoc片上系統(tǒng)芯片，實(shí)現(xiàn)了非接觸式、穩(wěn)定可靠的電容式感應(yīng)按鍵的設(shè)計(jì)。
1 PSoC片上系統(tǒng)
PSoC微處理器由處理器內(nèi)核、系統(tǒng)資源、數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)組成。PSoC片上系統(tǒng)包含8個(gè)數(shù)字模塊和12個(gè)模擬模塊。這些模塊都可進(jìn)行配置，用戶通過對(duì)這些模塊進(jìn)行配置，定義出用戶所需要的功能。數(shù)字模塊可配置成定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串行通信口（UARTS）、CRC發(fā)生器、PWM脈寬調(diào)制等功能模塊。模擬模塊可配置成模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器、可編程濾波器、差分比較器等功能模塊。數(shù)字模塊和模擬模塊也可構(gòu)成調(diào)制解調(diào)器、復(fù)雜的馬達(dá)控制器、傳感器信號(hào)的處理電路等[1]。
2 電容式感應(yīng)原理
電容開關(guān)是一對(duì)相鄰電極，在電極之間有很小的電容。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體接近兩個(gè)電極時(shí)，在電極與導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)耦合電容。在這里，手指就是這個(gè)導(dǎo)體，通常電容開關(guān)的形式是一邊接地的電容，導(dǎo)體的存在增加了開關(guān)到地之間的電容。檢測(cè)是否有手指靠近，也就是檢測(cè)是否有按鍵按下，可依據(jù)電容的變化來判斷。檢測(cè)電容變化的方法有很多：電流與電壓相位差檢測(cè)、電容構(gòu)成振蕩器進(jìn)行頻率檢測(cè)、電容橋電荷轉(zhuǎn)換檢測(cè)。因?yàn)殡娙輼螂姾赊D(zhuǎn)換檢測(cè)的方法較適用于大量按鍵掃描和PSoC的性能，所以在此采用該方法進(jìn)行檢測(cè)[2]。
電荷轉(zhuǎn)換電路從概念上來說與R－C充放電電路相似，如圖1所示。電荷轉(zhuǎn)移的優(yōu)點(diǎn)是不需要附加電阻器件。CP感應(yīng)的電容，它的值隨著電極材料上所加導(dǎo)體而改變。Csum是參考總電容。
在檢測(cè)周期開始，通過一個(gè)復(fù)位開關(guān)把Csum上的電荷全部放掉。然后通過單刀雙向開關(guān)使Cp工作在非重迭的周期上。在第一半周，Cp連接到VDD充電。當(dāng)CP上的電荷以由CP值決定的速度充到VDD時(shí)，開關(guān)斷開，然后把開關(guān)連接到Csum，Cp上的電荷轉(zhuǎn)移到Csum中[3]。
在圖1中，因?yàn)镃sum的電容值比Cp大得多，所以Csum上的電壓值在充電的每一周期內(nèi)只有微小的增加。這個(gè)Cp到Csum上的電荷轉(zhuǎn)換周期重復(fù)許多次，以使Csum上積累到一個(gè)大的信號(hào)值。當(dāng)連接到VDD時(shí)，電容Cp上的電荷為：
Q＝CV （1）
不是Cp上的所有電荷都轉(zhuǎn)移到Csum中。當(dāng)Cp上的電壓跌落到Csum上的預(yù)存電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換便不再進(jìn)行。為檢測(cè)感應(yīng)的電容值是否有改變，可通過Cp－Csum的充放電方式，把Csum充到固定的閾值VTH，再計(jì)算到達(dá)這個(gè)閾值時(shí)的周期數(shù)。在任意采樣點(diǎn)n，Csum上的電壓值為：
圖2示出了充放電115ms后的電荷轉(zhuǎn)換波形。其充放頻率為6MHz，所以其轉(zhuǎn)換次數(shù)為700次。
式（2）很明顯是一個(gè)指數(shù)函數(shù)，即電壓值Vsum為：
檢測(cè)Cp的變化率，可通過比較Vsum和VTH得到。即計(jì)算Vsum充到VTH時(shí)的充放電次數(shù)n：
當(dāng)手指靠近時(shí)，Cp變成電極感應(yīng)電容和手指接近產(chǎn)生的耦合電容之和CF＋P，所以Csum充電到閾值VTH的速度更快，充放電周期數(shù)n也就更小：
這樣，檢測(cè)是否有鍵按下就簡(jiǎn)化成了檢測(cè)周期數(shù)的變化率Δn＝n－nF＋P。當(dāng)Δn＞nTH時(shí)，表明有手指靠近。
3 電容式非接觸按鍵的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 電容式非接觸按鍵的硬件電路設(shè)計(jì)
電容式非接觸按鍵的硬件電路如圖3所示。該設(shè)計(jì)中，通過PSoc芯片CY8C2714循環(huán)檢測(cè)感應(yīng)電極的狀態(tài)來判斷是否有按鍵按下。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，感應(yīng)電極不需要附加任何元器件。I/O口P0.2－P0.6共連接4個(gè)按鍵感應(yīng)電極，芯片通過內(nèi)部硬件配置和軟件算法，對(duì)感應(yīng)電機(jī)上是否有手指按下進(jìn)行檢測(cè)。另外，PSoC芯片可外接ISSP接口實(shí)現(xiàn)在線編程[4]。
3.2 電容式非接觸按鍵的軟件實(shí)現(xiàn)
非接觸按鍵的檢測(cè)，須通過比較器、充電電流源和復(fù)位開關(guān)組成一個(gè)張弛振蕩器，來對(duì)按鍵電極電容充放電。PSoC內(nèi)部用戶模塊配置如圖4所示。比較器占用一個(gè)模擬模塊。它的同相輸入端多路模擬開關(guān)連接到I/O口上，反相輸入端接內(nèi)部參考電壓VBG作為電容充電閾值VTH，與同時(shí)輸入端進(jìn)行比較。輸出端連接比較邏輯輸出總線0。總線與通用輸出口連通，再把通用輸出口4和通用輸入口4連接在一起，作為PWM的時(shí)鐘輸入線。PWM脈寬調(diào)制模塊占用1個(gè)數(shù)字模塊，其時(shí)鐘輸入連到比較器的輸出，PWM的輸出連接到定時(shí)器的捕獲腳。1個(gè)16位定時(shí)器占用2個(gè)數(shù)字模塊，對(duì)PWM輸出的脈沖進(jìn)行定時(shí)。
非接觸式感應(yīng)按鍵的實(shí)現(xiàn)過程為：首先設(shè)置I/O口的輸出驅(qū)動(dòng)模式，開始掃描按鍵，把按鍵連接到模擬多通道輸入口，使能振蕩器。當(dāng)Cp上的電壓線性增加到閾值時(shí)，比較器輸出高電平。刷新定時(shí)器和PWM的周期數(shù)，重設(shè)計(jì)數(shù)值，置完成標(biāo)志位。當(dāng)掃描完成，停止PWM，定時(shí)器中斷服務(wù)完成。最后根據(jù)電容感應(yīng)原理，計(jì)算出定時(shí)器的周期數(shù)來判斷是否有按鍵按下。在本設(shè)計(jì)中，如式（5）所示，選取Csum值，使充放電周期數(shù)n＝1000次時(shí)，Vsum到達(dá)VTH。當(dāng)檢測(cè)到n F＋P＜800，即Δn＞nTH＝200時(shí)，認(rèn)為有按鍵下。
結(jié)語
本設(shè)計(jì)中，基于PSoC片上系統(tǒng)芯片的非接觸式感應(yīng)按鍵界面，有著非接觸、可靠和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。這種方便、靈活的操作界面已在家電和控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用和推廣，所以關(guān)于電容式感應(yīng)按鍵技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)是嵌入式系統(tǒng)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。