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(xiāo)的MP3播放機(jī)也已開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi),，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(kāi)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(kāi)關(guān)上的充電電壓發(fā)生改變,。(最簡(jiǎn)單的電容性開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)。相比之下,，同類(lèi)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_(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)、一個(gè)充電電流源,、一個(gè)比較器,、一個(gè)復(fù)位開(kāi)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(mén)限為止,，觸發(fā)比較器輸出高電平。這將啟動(dòng)開(kāi)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(kāi)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?，它還包括導(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(kāi)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(jiàn)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(mén)限相關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的接通/關(guān)斷開(kāi)關(guān),?；蛘撸捎谝粋€(gè)開(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)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