前言

　　在需要用戶界面的應(yīng)用方案中,，傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)正在被電容式觸摸感應(yīng)控制所替代。

　　Sino wealth已經(jīng)開發(fā)了一套觸摸感應(yīng)軟件,，使得任意一款8位的中穎微控制器都可以作為一個(gè)電容式觸摸按鍵控制器使用,。通過對由一個(gè)電阻和觸摸電極電容組成的RC充放電時(shí)間的控制，該觸摸感應(yīng)軟件可以檢測到人手的觸摸,。由于電極電容的改變,，導(dǎo)致的RC充放電時(shí)間的改變，能夠被檢測出來,，然后經(jīng)過濾波等,，最終通過專用的I/O端口，或者I2C/SPI接口發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng),。該軟件庫所需的元器件BOM表,，成本低廉,，因?yàn)槊總€(gè)通道只需要兩個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)觸摸檢測功能

　　RC感應(yīng)原理

　　RC采樣原理就是通過測量觸摸電極電容的微小變化，來感知人體對電容式觸摸感應(yīng)器(按鍵,、滾輪或者滑條)的觸摸,。

　　電極電容(C)通過一個(gè)固定的電阻(R)周期性地充放電。 電容值取決于以下幾個(gè)參數(shù)：電極面積(A),，絕緣體相對介電常數(shù),，空氣相對濕度，以及兩個(gè)電極之間的距離(d),。電容值可由下列公式得出：

　　圖1:RC電壓檢測,。

　　固定電壓施加在 ， 的電壓隨著電容值的變化而相應(yīng)增加或者降低,， 如圖2所示,。

　　圖2：測量充電時(shí)間,。

　　通過計(jì)算VOUT的電壓達(dá)到閥值VTH所需要的充電時(shí)間(TC),，來得到電容值(C)。 在觸摸感應(yīng)應(yīng)用中,，電容值(C)由兩部分組成：固定電容(電極電容,，CX)和當(dāng)人手接觸或者靠近電極時(shí)，由人手帶來的電容(感應(yīng)電容,，CT),。電極電容應(yīng)該盡可能的小，以保證檢測到人手觸摸,。因?yàn)橥ǔＨ耸钟|摸與否,，帶來的電容變化一般就是幾個(gè)pF(通常5pF)。 利用該原理,，就可以檢測到手指是否觸摸了電極,。

　　圖3：觸摸感應(yīng),。

　　這就是用于檢測人手觸摸的觸摸感應(yīng)軟件中感應(yīng)層所采用的基本原理,。

　　硬件實(shí)現(xiàn)

　　圖4顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)的實(shí)例。由R1,，R2以及電容電極(CX)和手指電容(CT)并聯(lián)的電容(大約5pF) 形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò),，通過對該RC網(wǎng)絡(luò)充放電時(shí)間的測量，可以檢測到人手的觸摸,。 所有電極共享一個(gè)“負(fù)載I/O”引腳,。電阻R1和R2盡量靠近MCU放置。電容R1(阻值在幾百歐到幾兆歐之間)是主要電容,，用于調(diào)節(jié)觸摸檢測的靈敏度,。電容R2(10KΩ)是可選的,，用于減少對噪聲影響。

　　圖4:電容觸摸感應(yīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)例。

　　3 軟件實(shí)現(xiàn)

　　本章描述了觸摸感應(yīng)RC原理的實(shí)現(xiàn),。

　　3.1充電時(shí)間測量原理

　　為了保證健壯的電容觸摸感應(yīng)的應(yīng)用,，充電時(shí)間的測量需要足夠的精確。

　　采用一個(gè)簡單的定時(shí)器(無需IC功能)和一系列簡單的軟件操作,，即定時(shí)地檢查感應(yīng)I/O端口上的電壓是否達(dá)到閥值,。這樣的話，時(shí)間測量的精確度就取決于執(zhí)行一次完整軟件查詢需要的CPU周期數(shù),。這種測量方法會由于多次測量帶來一些抖動,，但是由于沒有硬件限制，這種方法適用于需要很多電極的場合,。

　　基本測量

　　使用普通定時(shí)器進(jìn)行充電時(shí)間的測量,。對電容充電開始之前，定時(shí)器的計(jì)數(shù)器數(shù)值被記錄下來,。當(dāng)采樣I/O端口上的電壓達(dá)到某個(gè)閥值(VTH)時(shí),，再次記錄定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值。二者之差就是 充電或者放電的時(shí)間,。

　　圖5：定時(shí)器計(jì)數(shù)器值。

　　過采樣

　　過采樣的目的是以CPU時(shí)鐘的精度,，對輸入電壓達(dá)到高電平和低電平(VIH和VIL)的時(shí)間測量,。 為了跨越所有的取值范圍，每次測量都比上一次測量延遲一個(gè)CPU時(shí)鐘周期的時(shí)間,。 為了跨越所有的取值范圍,，測量的次數(shù)是和MCU核相關(guān)的。圖6說明了這個(gè)概念的應(yīng)用情況,。

　　圖6：輸入電壓測量。

　　輸入電壓測量的原理

　　為了提高在電壓和溫度變動情況下的穩(wěn)定性,，對電極會進(jìn)行連續(xù)兩次的測量：第一次測量對電容的充電時(shí)間,，直到輸入電壓升至VIH。第二次測量電容的放電時(shí)間,，直到輸入電壓降至VIL,。下圖以及以下的表格詳細(xì)說明了對感應(yīng)電極(感應(yīng)I/O)和負(fù)載I/O引腳上的操作流程。

　　圖7：電容充放電時(shí)間測量,。

　　表2 電容充放電測量步驟

　　觸摸的效果

　　電極的電容值(CX)取決于以下幾個(gè)主要因素：電極的形狀,、大小，觸摸感應(yīng)控制器到電極之間的 布線(尤其是地耦合),，以及介電面板的材料和厚度,。因此，RC充放電時(shí)間直接和CX有關(guān),。圖8說明了這種“觸摸的效果”,。 時(shí)間(即達(dá)到了VIH電平的時(shí)刻)比長;同樣對于降至VIL電平的時(shí)間也比長。

　　圖8：觸摸效果實(shí)例,。

　　多次測量以及高頻噪聲的去除

　　為了提高測量的精確度，并去除高頻噪聲,，有必要對VIH和VIL進(jìn)行多次的測量,，然后再決定是否有按鍵被有效“觸摸”。

　　圖9：測量的種類,。

　　注意：下圖說明了去除噪聲的實(shí)例。如果測量次數(shù)(N)設(shè)置為4,，那么對一個(gè)電極的完整測量將包括4次正確的“連續(xù)組測量”(BGs),。

　　這些實(shí)例展示了不同噪聲影響下的測量。綠色線條表示正確的VIH/VIL測量;而紅色線條表示不正確的VIH/VIL測量,。

　　圖10 顯示了沒有噪聲的影響,，所有測量都有效的情況。 這個(gè)例子中,，每個(gè)連續(xù)組測量中的測量都有效,，使得一個(gè)完整的測量很快就可以完成。

　　圖10：實(shí)例1,。

　　圖11 顯示了有一些噪聲使得某些測量無效的情況(即r1和r2)。 在這個(gè)例子中,，連續(xù)組測量BG3重復(fù)了好幾次,，直到其中的所有測量都有效，該次組測量才算通過,。這樣就需要較多的時(shí)間來完成一次完整的測量,。

　　圖11：實(shí)例2,。

　　圖12顯示了有很多噪聲,，使得無效的組測量次數(shù)達(dá)到了最大限制(比如20)。這樣的話，整個(gè)電極測量都無效,。這個(gè)例子中,，達(dá)到了無效的組測量次數(shù)的最大限制，因此停止對該電極的測量,。

　　圖12：實(shí)例3。