電容式觸摸傳感器設(shè)計技巧

1、電容式觸摸傳感器設(shè)計技巧觸摸傳感器已經(jīng)被廣泛使用很多年了。但近期混合信號可編程器件的發(fā)展，讓電容式觸摸傳感器已成為各種消費電子產(chǎn)品中機械式開關(guān)的一種實用、增值型替代方案。典型的電容式傳感器覆蓋層的厚度為3mm或更薄。隨著覆蓋層厚度的增加，手指觸摸的傳感將變得越來越困難。換句話說，伴隨著覆蓋層厚度的增加，系統(tǒng)調(diào)整過程將必須從科學向藝術(shù)發(fā)展。為了說明如何制作一個能夠提升目前技術(shù)極限的電容式傳感器，本文所述的實例中選用玻璃覆蓋層的厚度為10mm。玻璃使用簡單，隨處可見，而且是透明的，所以你可以看到下面的感應(yīng)墊。玻璃覆蓋層還可直接應(yīng)用于白色家電。手指電容任何電容式觸摸傳感系統(tǒng)的核心都是一組與電場相互作

2、用的導(dǎo)體。人體皮膚下面的組織中充滿了傳導(dǎo)電解質(zhì)-這是一種有損電介質(zhì)。正是手指的這種導(dǎo)電特性使得電容式觸摸傳感成為可能。簡單的平行板電容器有兩個導(dǎo)體，這兩個導(dǎo)體之間隔著一層電介質(zhì)。該系統(tǒng)中的大部分能量直接聚集在電容器極板之間。少許能量會泄露到電容器極板以外的空間，而由這些泄露能量所形成的電場叫做邊緣場。制作實用電容式傳感器的部分難題在于需要設(shè)計一套印刷電路板軌線，來將邊緣場引導(dǎo)到用戶易接近的有效感應(yīng)區(qū)域中。平行板電容器不是這種傳感器模式的理想選擇。當把手指放在邊緣電場的附近時，電容式傳感系統(tǒng)的導(dǎo)電表面積會增加。由手指所產(chǎn)生的額外電荷存儲容量，就是我們所知的手指電容CF。在本文中，無手指觸摸時的傳

3、感器電容用CP來表示，意指寄生電容。關(guān)于電容式傳感器人們常有這樣的誤解：為了使系統(tǒng)正常工作，手指必須接地。實際上，手指之所以被傳感是因為它帶有電荷，而與其是否懸空或接地完全無關(guān)。傳感器的PCB布局圖1顯示了一塊PCB的頂視圖，該PCB應(yīng)用了本設(shè)計案例中的一個電容式傳感器按鍵。圖1：PCB頂視圖。這個按鍵的直徑為10mm，相當于一個?指尖的平均尺寸。為該演示電路而組裝的PCB帶有4個按鍵，其中心相隔20mm。如圖1中所示，接地平面也位于頂層。金屬感應(yīng)墊和接地平面之間設(shè)置了一個均勻的隔離間隙。該間隙的尺寸是一個重要的設(shè)計參數(shù)。如果間隙設(shè)置得過小，則過多的電場能量將直接傳遞至地。而如果間隙設(shè)置得過大

4、，則將無法控制能量穿越覆蓋層的方式。將間隙尺寸選為0.5mm，可以很好地使邊緣場透過10mm厚的玻璃覆蓋層。圖2展示了同一種傳感器模式的截面圖。圖2：傳感器的PCB和覆蓋層截面圖。如圖所示，PCB上的一個過孔將金屬感應(yīng)墊與電路板底面上的印制導(dǎo)線相連。當電場試圖找到最短的接地路徑時，介電常數(shù)r將影響進入材料中的電場能量的密度。標準玻璃窗的r約為8，PCB的FR4材料的r約為4，而白色家電中常用的耐熱玻璃的r大約為5。本設(shè)計案例中采用的是標準的窗玻璃。需要注意的是，在PCB上貼有玻璃紙，即3M公司的468-MP絕緣膠膜。電容式傳感系統(tǒng)101該電容式傳感系統(tǒng)的基本元件包括：一個可編程電流源、一個精密

5、模擬比較器和一根用來按順序傳輸一組電容式傳感器信號的多路復(fù)用總線。在本文所討論的系統(tǒng)中，一個弛張振蕩器起著電容傳感器的作用。該振蕩器的簡化電路示意圖如圖3所示。圖3：電容式傳感弛張振蕩器電路。比較器的輸出被送進脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的時鐘輸入電路，這個PWM對一個時鐘頻率為24MHz的16位計數(shù)器進行門控。傳感器上面的手指使電容增大，進而導(dǎo)致計數(shù)值增加。手指的存在就是基于這一原理來檢測到的。圖4展示了該系統(tǒng)的典型波形。圖4：電容式傳感弛張振蕩器電路的波形。該設(shè)備的實現(xiàn)原理圖如圖5所示。圖5：電容式傳感電路原理圖。為了實現(xiàn)電容式傳感和串行通信，該電路采用了賽普拉斯的CY8C21x34系列中的P

6、SoC IC芯片。該芯片包含一組模擬和數(shù)字功能塊，這些功能塊可由存儲于板上閃存中的固件來配置。另一顆芯片負責處理RS232的電平移位，以便建立到主機的通信鏈接，并實現(xiàn)波特率為115,200的電容式傳感數(shù)據(jù)記錄。四個電容傳感按鍵的引腳分配在圖5的表中給出。PSoC是通過一個包含電源、地以及編程引腳SCL和SDA的ISSP接頭來實現(xiàn)編程的。而通過一個DB9連接器將電腦與電容式傳感電路板相連。調(diào)整傳感器每次調(diào)用上列程序中的調(diào)用函數(shù)CSR_1_Start()時，均對Button1的電容進行測量。原始計數(shù)值被存儲于CSR_1_iaSwResult 陣列中。用戶模塊還跟蹤一個用于原始計數(shù)的基線。每個按鍵的

7、基線值均為一個由軟件中的IIR濾波器進行周期性計算的平均原始計數(shù)值。IIR濾波器的更新速率是可編程的?；€使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)于由于溫度和其它環(huán)境影響而引起的系統(tǒng)中的漂移。開關(guān)差分陣列CSR_1_iaSwDiff 包含消除了基線偏移的原始計數(shù)值。利用開關(guān)差值來決定按鍵目前的開/關(guān)狀態(tài)。這可使系統(tǒng)的性能保持恒定，即便在基線有可能隨著時間的推移而發(fā)生漂移的情況下也是如此。圖6顯示了固件中實現(xiàn)的差分計數(shù)與按鍵狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)。圖6：差分計數(shù)與按鍵狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)。該轉(zhuǎn)移函數(shù)中的延滯帶來了開關(guān)狀態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換，即使計數(shù)是有噪聲的情況下也不例外。同時這還給按鍵帶來了一種反跳功能。低門限被稱為“噪聲門限

8、”，而高門限則被稱為“手指門限”。門限水平的設(shè)定決定了系統(tǒng)的性能。當覆蓋層非常厚時，信噪比很低。在此類系統(tǒng)中設(shè)定門限水平是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，而這恰好是電容式傳感設(shè)計技巧的一部分。圖7展示了一個持續(xù)時間為3秒的按鍵觸壓操作的理想原始計數(shù)波形。圖7：將門限水平繪制在一個去除了基線的原始計數(shù)圖上。噪聲門限被設(shè)定的計數(shù)值為10，而手指門限設(shè)定的計數(shù)值則為60。實際上，在實際計數(shù)數(shù)據(jù)中噪聲分量是始終存在，圖中沒有顯示是為了能清晰地顯示門限水平。部分調(diào)整過程還包括選擇電流源DAC的電平以及設(shè)置用于計數(shù)累加的振蕩器周期數(shù)。在固件中，函數(shù)CSR_1_SetDacCurrent(200, 0)把電流源設(shè)定在

9、其低電流范圍內(nèi)，數(shù)值為200(最高255)，大約對應(yīng)于14A。函數(shù)CSR_1_SetScanSpeed(255)把振蕩器周期數(shù)設(shè)定為253(2552)。原始計數(shù)和差分計數(shù)的分析表明：該系統(tǒng)的寄生引線電容CP約為15pF而手指電容CF約為0.5pF?？梢姡种鸽娙菔箍傠娙莓a(chǎn)生了約3%的變化。對于每個按鍵，每個原始計數(shù)值的采集所需要的時間僅為500s。測量性能電容式傳感系統(tǒng)的性能測量結(jié)果示于圖8中。圖8：通過10mm玻璃進行檢測時傳感器的性能測量結(jié)果。差分計數(shù)是通過主PC上一個終端仿真程序獲得，然后借助電子制表軟件繪制而成的。將手指在10mm厚的玻璃覆蓋層上按壓3秒。按鍵的開關(guān)狀態(tài)會被疊加在原始計

10、數(shù)上。按鍵在這兩種狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換，哪怕是由于通過厚玻璃進行檢測而使原始計數(shù)信號中具有較大的噪聲時也是如此。請注意手指和按鍵門限隨著基線的漂移而進行周期性調(diào)整。當檢測到手指的觸壓動作時，基線值將鎖定，直到手指移開為止。圖9和圖10顯示了兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換處的局部細節(jié)圖。圖9：向“開”狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的局部細節(jié)圖。圖10：向“關(guān)”狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的局部細節(jié)圖。在圖9中，按鍵最初處于為關(guān)閉(OFF)狀態(tài)。超過手指門限的差分計數(shù)的第一個采樣把按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換至通(ON)狀態(tài)。在圖10中，低于噪聲門限的差分計數(shù)的第一個采樣將按鍵轉(zhuǎn)換至斷狀態(tài)。電容式觸摸傳感器與機械式開關(guān)相比的主要優(yōu)點是長期使用時不易損壞?；旌闲盘柤夹g(shù)的最新發(fā)展，不僅讓觸摸式傳感器的