第14章 電容感應(yīng)模塊

1、第第14章章 電容感應(yīng)模塊電容感應(yīng)模塊 何賓 2012.05本章內(nèi)容本章內(nèi)容 本章主要是介紹PSoC5內(nèi)的電容總線模塊，電容感應(yīng)模塊是PSoC芯片最重要，也是最有特點(diǎn)的功能單元，電容感應(yīng)觸摸被廣泛的應(yīng)用在各種嵌入式應(yīng)用中。 本章內(nèi)容主要包括：n電容感應(yīng)模塊的結(jié)構(gòu)；n電容感應(yīng)-算法；n電容觸摸感應(yīng)的實(shí)現(xiàn)； 電容感應(yīng)觸摸電容感應(yīng)觸摸模塊的結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu) 電容感應(yīng)觸摸系統(tǒng)提供了豐富和高效的手段來(lái)測(cè)量電容量，比如觸摸感應(yīng)按鍵，滑動(dòng)塊，接近度檢測(cè)。下圖給出了電容感應(yīng)模塊的結(jié)構(gòu)圖。 電容感應(yīng)觸摸系統(tǒng)使用系統(tǒng)資源配置，包括一些用于電容感應(yīng)觸摸的硬件功能。該模塊的主要特點(diǎn)有：n同時(shí)支持掃描兩個(gè)電容傳感器；n可

2、配置的低通濾波器來(lái)消除開關(guān)噪聲，用于精確測(cè)量；n用于更快速測(cè)量的帶有高驅(qū)動(dòng)模式的參考緩沖區(qū)。 電容感應(yīng)觸摸電容感應(yīng)觸摸模塊的結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)電容感應(yīng)觸摸電容感應(yīng)觸摸模塊的結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu) 1參考驅(qū)動(dòng) 這個(gè)驅(qū)動(dòng)器用來(lái)快速的初始化網(wǎng)絡(luò)到獨(dú)立于供電電源的一個(gè)電壓。這個(gè)能力加速了電容掃描，并且改善了電源抑制比。兩個(gè)參考驅(qū)動(dòng)獨(dú)立運(yùn)行；一個(gè)驅(qū)動(dòng)到AMUXBUSL，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)到AMUXBUSR。通過(guò)設(shè)置CAPSX_CFG0寄存器的out_en位，將驅(qū)動(dòng)器連接到AMUXBUS。 參考驅(qū)動(dòng)支持普通和高驅(qū)動(dòng)模式，通過(guò)設(shè)置CAPSX_CFG0寄存器的boost位選擇驅(qū)動(dòng)模式。n在普通模式下，在600ns內(nèi)驅(qū)動(dòng)電容最大到

3、100pF；n在高驅(qū)動(dòng)模式下，在15us內(nèi)驅(qū)動(dòng)電容最大到30nF。電容感應(yīng)觸摸電容感應(yīng)觸摸模塊的結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu) 2低通濾波器 提供兩個(gè)可調(diào)的低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）。每個(gè)LPF通過(guò)2:1復(fù)用開關(guān)選擇輸入。n在左側(cè)，LPF輸入是AMUXBUSL和AGL0；n在右側(cè)，LPF輸入是AMUXBUSR和AGR0。 使用LPF.CRO寄存器的swin1:0位選擇LPF的輸入。通過(guò)開關(guān)將LPF的輸出連接到abusl0和abusr0?？烧{(diào)的LPF允許用戶選擇R值為200k或者1000k，C值為5pF或者為10pF。 LPFx_CR0寄存器內(nèi)的rsel和csel位用來(lái)選擇電阻和電容。

4、LPF的控制寄存器為L(zhǎng)PF0_CR0和LPF1_CR0。電容感應(yīng)觸摸電容感應(yīng)觸摸模塊的結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu) 3模擬復(fù)用總線 除了SIO和USB引腳外，所有的GPIO引腳均支持電容感應(yīng)操作。用于電容感應(yīng)基本模擬復(fù)用總線是AMUXBUS，該總線有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)(AMUXBUSL和AMUXBUSR)用于兩個(gè)同步的感應(yīng)操作。這些也能被短路生成單個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)連接到所有的GPIO。 AMUXBUSL和AMUXBUSR網(wǎng)絡(luò)連接到各自一半的GPIO，支持電容感應(yīng)方法的所有特征。電容感應(yīng)使用AMUXBUS網(wǎng)絡(luò)、AMUXBUSR的模擬全局網(wǎng)絡(luò)AGR0和AMUXBUSL的模擬全局網(wǎng)絡(luò)AGL0，提供到參考源的反饋。這個(gè)反饋通常

5、是來(lái)自于外部電容連接的引腳，這個(gè)電容用于積分或者調(diào)制電容。電容感應(yīng)觸摸電容感應(yīng)觸摸模塊的結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu) 4GPIO配置 右圖給出了GPIO結(jié)構(gòu)。端口模擬全局復(fù)用寄存器（PRTx_AMUX）被用來(lái)連接端口引腳到模擬復(fù)用總線。設(shè)置CAPSx_CFG1寄存器的io_ctrl1:0來(lái)使能上拉或下拉。 下圖給出了在兩種配置的感應(yīng)電容的切換，用來(lái)將電容轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電阻進(jìn)行測(cè)量。 電容感應(yīng)觸摸模塊的結(jié)構(gòu)電容感應(yīng)觸摸模塊的結(jié)構(gòu)(a) 通過(guò)感應(yīng)電阻對(duì)通過(guò)感應(yīng)電阻對(duì)MUXBUS充電充電(b) 通過(guò)感應(yīng)電阻對(duì)通過(guò)感應(yīng)電阻對(duì)MUXBUS放電放電電容感應(yīng)觸摸電容感應(yīng)觸摸模塊的結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu) 用下式計(jì)算等效電阻： 其中

6、：nCs=傳感器電容n1,2=非重疊的時(shí)鐘，可以用偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生 （pseudo random sequence, PRS）。nfs=時(shí)鐘頻率nCmod=外部調(diào)制電容； 電容感應(yīng)的方法通過(guò)將GPIO引腳在高低電平之間切換實(shí)現(xiàn)。硬件的剩余部分配置成合適的極性來(lái)匹配上拉或下拉電阻。)(1ssSCfR 電容感應(yīng)模塊的結(jié)構(gòu)電容感應(yīng)模塊的結(jié)構(gòu) 電容感應(yīng)時(shí)鐘用于切換。可以使用兩種方法來(lái)產(chǎn)生CapSense時(shí)鐘： 1）UDB產(chǎn)生兩個(gè)全局時(shí)鐘(caps_dsi_lft和caps_dsi_rt)，并且布線到各自一側(cè)的I/O引腳的GPIO邏輯。設(shè)置PRTx_CAPS_SELy寄存器（基于每端口/每引腳模式）

7、來(lái)選擇用于在測(cè)量期間切換傳感器的全局時(shí)鐘； 2）到I/O引腳的DSI輸出能用于來(lái)自UDB的電容感應(yīng)的時(shí)鐘源。編程PRTx_BIEy用于輸入（每端口/每引腳），并且清除PRTx_CAPS_SELy選擇DSI輸出作為電容感應(yīng)的時(shí)鐘。 電容感應(yīng)模塊的結(jié)構(gòu)電容感應(yīng)模塊的結(jié)構(gòu) 注意：靜態(tài)連接外部的集成電容Cmod（沒(méi)有切換），使用PRTx_AMUX寄存器將其連接到AMUXBUS，并且PRTx_CAPS_ SELy=0，PRTx_BIEy=0。 GPIO引腳能作為屏蔽電極。屏蔽電極用于幫助在出現(xiàn)水膜或水滴的情況下，提高操作的可靠性。測(cè)量這些影響因素在屏蔽電極的影響，并且從電容感應(yīng)按鍵中消除。下面討論的電容

8、感應(yīng)算法支持屏蔽電容。 電容感應(yīng)電容感應(yīng)-算法算法 下圖給出了電容感應(yīng)-（Capsense Delta Sigma, CSD）的硬件配置。 電容感應(yīng)算法電容感應(yīng)算法 -電容感應(yīng)電容感應(yīng)-算法算法下圖給出了CSD算法的波形圖。 電容感應(yīng)算法電容感應(yīng)算法 -電容感應(yīng)電容感應(yīng)-算法算法 電容感應(yīng)-通過(guò)將積分電容的電壓保持在目標(biāo)門限的附近，并且基于目前的比較器的輸出狀態(tài)對(duì)電容進(jìn)行充電和放電操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 感應(yīng)電容在Vdd和積分電容之間進(jìn)行連續(xù)的切換，用來(lái)在每個(gè)切換周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)積分電壓升高。電容感應(yīng)算法電容感應(yīng)算法 電容感應(yīng)電容感應(yīng)-算法算法 下面給出CSD算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟： 1當(dāng)積分電壓達(dá)到參考電壓時(shí)

9、，比較器將使電流DAC對(duì)電容進(jìn)行放電。 2當(dāng)電容放電電壓低于參考電壓時(shí)，禁止IDAC，以允許電容連續(xù)的充電。 3當(dāng)積分電容電壓在比較器門限附近波動(dòng)的時(shí)候，在一個(gè)間隔內(nèi)對(duì)比較器的低輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后給出感應(yīng)電容的測(cè)量結(jié)果。 電容感應(yīng)算法電容感應(yīng)算法 -電容感應(yīng)電容感應(yīng)-算法算法 4觸摸時(shí)感應(yīng)電容增加，因此等效電阻減少。這樣就引起流經(jīng)感應(yīng)等效電阻的電流增加。 5在觸摸時(shí)，為了將Cmod的電壓保持在VREF附近，IDAC的吸收電流用于長(zhǎng)期補(bǔ)償較大的感應(yīng)電容。這樣就相應(yīng)的改變計(jì)數(shù)值。 一個(gè)PRS時(shí)鐘用來(lái)替換固定的時(shí)鐘源來(lái)驅(qū)動(dòng)預(yù)充電開關(guān)。與固定時(shí)鐘源相比較，PRS時(shí)鐘降低了感應(yīng)電容上的輻射噪聲，因此改善

10、了EMI和干擾性能。電容感應(yīng)算法電容感應(yīng)算法 -電容感應(yīng)電容感應(yīng)-算法算法 PSoC也支持其它CSD算法： 1）基于比較器的輸出，開關(guān)電容電阻用來(lái)對(duì)積分電容進(jìn)行充電，外部的泄漏電阻器用來(lái)對(duì)積分電容進(jìn)行放電。 2）基于比較器的輸出，翻轉(zhuǎn)極性，IDAC就能被用于對(duì)積分電容進(jìn)行充電，開關(guān)電容電阻將積分電容對(duì)地進(jìn)行放電(圖7.32(b)。電容觸摸感應(yīng)實(shí)現(xiàn) 該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電容感應(yīng)的應(yīng)用。開發(fā)板首先初始化液晶屏和元件。在主循環(huán)中，它掃描兩個(gè)按鈕是否有激活。并且在LCD上顯示觸摸感應(yīng)的狀態(tài)。電容觸摸感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)實(shí)現(xiàn)-創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程 1在計(jì)算機(jī)上的桌面上，選擇開始-所有程序-Cypress-

11、PSoC Creator 2.0-PsoC Creator 2.0。打開PSoC Creator軟件； 2在PSoC Creator 2.0軟件的主界面下，選擇File-New-Project.； 3在New Project窗口，選擇Empty PSoC5 Design模板，并將工程命命名為CapSense_CSD _Design。選擇工程保存路徑，點(diǎn)擊“OK”按鈕； 創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-添加并配置添加并配置CapSense 下面給出添加并配置CapSense的步驟，主要步驟包括： 1拖動(dòng)并且放置CapSense到原理圖內(nèi)（Component Catalog-CapSense- Ca

12、pSense_CSD）。 2雙擊器件原理圖內(nèi)的CapSense_CSD符號(hào)，打開配置窗口。如下圖所示，在Widget(部件)配置窗口中按下面步驟添加觸摸按鍵和觸摸滑塊部件： 創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-添加并配置添加并配置CapSense創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-添加并配置添加并配置CapSensen選擇Buttons條目，在按鈕 上，連續(xù)點(diǎn)擊兩次， 添加兩個(gè)觸摸按鍵部件Button0和Button1；n 選擇Linear Sliders條目，在按鈕 上，點(diǎn)擊一次，添加觸摸滑塊部件LinearSlider0；n選擇Button0，出現(xiàn)下圖所示的界面，按下面參數(shù)設(shè)置觸摸按鍵的屬性。創(chuàng)建和配

13、置工程創(chuàng)建和配置工程-添加并配置添加并配置CapSensen 選擇Buutton1，按照Button0的屬性來(lái)設(shè)置Button1的屬性，即 兩個(gè)觸摸按鍵的屬性一樣。下圖設(shè)置觸摸滑塊的屬性。n選擇LinearSlider0，出現(xiàn)下圖所示的界面，按下面的參數(shù)設(shè)置 觸摸滑塊的屬性。n接受其它參數(shù)默認(rèn)設(shè)置；n點(diǎn)擊“OK”按鈕，關(guān)閉屬性設(shè)置界面。創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-添加并配置字符添加并配置字符LCD 下面給出添加并配置字符的步驟，主要步驟包括： 1拖動(dòng)Character LCD并將其放置在原理圖中（Component Catalog-Display- Character LCD）。 2雙擊LC

14、D_Char_1元件。 3設(shè)置參數(shù)如下：nName: LCDnLCD Custom Character Set: Horizontal Bargraph。nInclude ASCII to Number Conversion Routines:選中n其它按照默認(rèn)設(shè)置 4點(diǎn)擊“OK”，關(guān)閉屬性設(shè)置界面。創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-配置引腳配置引腳 下面給出配置管腳的步驟，主要步驟包括： 1從Workspace Explore，雙擊CapSense_CSD_Design.cydwr文件。 2點(diǎn)擊pin標(biāo)簽。 3如下圖所示，為Cmod_CH0、Button0_BTN0、Button1_BTN、Li

15、nearSlider0_e0_LS LinearSlider0_e4_LS、和LCD:LCDPort6:0 分配引腳。創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-配置引腳配置引腳創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-編寫程序編寫程序n#include nn/* Need for Bargraph */nextern uint8 const CYCODE LCD_customFonts;nuint16 curPos, oldPos;nnvoid main()nn /* 使能全局中斷*/n CyGlobalIntEnable;n LCD_Start();n LCD_LoadCustomFonts(LCD_customF

16、onts);n LCD_Position(0u, 0u);n LCD_PrintString(CSD01);創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-編寫程序編寫程序/* 初始化CapSense CSD ，并且啟動(dòng)傳感器掃描循環(huán)*/ /*啟動(dòng)CapSense和基線*/ CapSense_CSD_Start(); /* I初始化基線 */ CapSense_CSD_InitializeAllBaselines(); /* 啟動(dòng)掃描所有使能的傳感器*/ CapSense_CSD_ScanEnabledWidgets(); while(1u) /* 更新所有的基線*/ CapSense_CSD_UpdateEn

17、abledBaselines(); 創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-編寫程序編寫程序/* 啟動(dòng)掃描所有的傳感器*/ CapSense_CSD_ScanEnabledWidgets(); /*顯示CapSense狀態(tài)*/ while(CapSense_CSD_IsBusy() != 0) LCD_DisplayState(); /*函數(shù)名字: LCD_DisplayState*/創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-編寫程序編寫程序void LCD_DisplayState(void) /* 顯示BUTTON0的狀態(tài)*/ LCD_Position(1u, 0u); if (CapSense_CSD_Che

18、ckIsWidgetActive(CapSense_CSD_BUTTON0_BTN) LCD_PrintString(A); else LCD_PrintString(B); /* 顯示BUTTON1的狀態(tài)*/ LCD_Position(1u, 2u); if (CapSense_CSD_CheckIsWidgetActive(CapSense_CSD_BUTTON1_BTN) LCD_PrintString(A); 創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-編寫程序編寫程序 else LCD_PrintString(B); /* 找到滑塊的位置*/ curPos = CapSense_CSD_GetCentroidPos(CapSense_CSD_LINEARSLIDER0_LS); /* 復(fù)位位置 */ if(curPos = 0 xFFFFu) curPos = 0u; /*移動(dòng)條形圖 */創(chuàng)建和配置工程創(chuàng)建和配置工程-編寫程序編寫程序 if (curPos != oldPos) oldPos = curPos; /* 顯示滑塊條形圖*/ if (curPos !=