中心議題：
- 手指電容
- 傳感器的PCB布局
- 電容式傳感系統(tǒng)
- 調(diào)整傳感器
- 電容式傳感系統(tǒng)性能測(cè)量
觸摸傳感器已經(jīng)被廣泛使用很多年了。但近期混合信號(hào)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(fèi)電子產(chǎn)品中機(jī)械式開(kāi)關(guān)的一種實(shí)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(lái)越困難。換句話(huà)說(shuō)，伴隨著覆蓋層厚度的增加，系統(tǒng)調(diào)整過(guò)程將必須從科學(xué)向藝術(shù)發(fā)展。為了說(shuō)明如何制作一個(gè)能夠提升目前技術(shù)極限的電容式傳感器，本文所述的實(shí)例中選用玻璃覆蓋層的厚度為10mm。玻璃使用簡(jiǎn)單，隨處可見(jiàn)，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(chǎng)相互作用的導(dǎo)體。人體皮膚下面的組織中充滿(mǎn)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(jiǎn)單的平行板電容器有兩個(gè)導(dǎo)體，這兩個(gè)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(huì)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(chǎng)叫做邊緣場(chǎng)。制作實(shí)用電容式傳感器的部分難題在于需要設(shè)計(jì)一套印刷電路板軌線(xiàn)，來(lái)將邊緣場(chǎng)引導(dǎo)到用戶(hù)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(dāng)把手指放在邊緣電場(chǎng)的附近時(shí)，電容式傳感系統(tǒng)的導(dǎo)電表面積會(huì)增加。由手指所產(chǎn)生的額外電荷存儲(chǔ)容量，就是我們所知的手指電容CF。在本文中，無(wú)手指觸摸時(shí)的傳感器電容用CP來(lái)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(shí)際上，手指之所以被傳感是因?yàn)樗鼛в须姾桑c其是否懸空或接地完全無(wú)關(guān)。
傳感器的PCB布局
圖1顯示了一塊PCB的頂視圖，該P(yáng)CB應(yīng)用了本設(shè)計(jì)案例中的一個(gè)電容式傳感器按鍵。
圖1：PCB頂視圖。
這個(gè)按鍵的直徑為10mm，相當(dāng)于一個(gè)成人指尖的平均尺寸。為該演示電路而組裝的PCB帶有4個(gè)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(gè)均勻的隔離間隙。該間隙的尺寸是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。如果間隙設(shè)置得過(guò)小，則過(guò)多的電場(chǎng)能量將直接傳遞至地。而如果間隙設(shè)置得過(guò)大，則將無(wú)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(chǎng)透過(guò)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(gè)過(guò)孔將金屬感應(yīng)墊與電路板底面上的印制導(dǎo)線(xiàn)相連。當(dāng)電場(chǎng)試圖找到最短的接地路徑時(shí)，介電常數(shù)εr將影響進(jìn)入材料中的電場(chǎng)能量的密度。標(biāo)準(zhǔn)玻璃窗的εr約為8，PCB的FR4材料的εr約為4，而白色家電中常用的耐熱玻璃的εr大約為5。本設(shè)計(jì)案例中采用的是標(biāo)準(zhǔn)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。
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電容式傳感系統(tǒng)
該電容式傳感系統(tǒng)的基本元件包括：一個(gè)可編程電流源、一個(gè)精密模擬比較器和一根用來(lái)按順序傳輸一組電容式傳感器信號(hào)的多路復(fù)用總線(xiàn)。在本文所討論的系統(tǒng)中，一個(gè)弛張振蕩器起著電容傳感器的作用。該振蕩器的簡(jiǎn)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(jìn)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的時(shí)鐘輸入電路，這個(gè)PWM對(duì)一個(gè)時(shí)鐘頻率為24MHz的16位計(jì)數(shù)器進(jìn)行門(mén)控。傳感器上面的手指使電容增大，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)數(shù)值增加。手指的存在就是基于這一原理來(lái)檢測(cè)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(shí)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(shí)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PSoC 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(chǔ)于板上閃存中的固件來(lái)配置。另一顆芯片負(fù)責(zé)處理RS232的電平移位，以便建立到主機(jī)的通信鏈接，并實(shí)現(xiàn)波特率為115,200的電容式傳感數(shù)據(jù)記錄。四個(gè)電容傳感按鍵的引腳分配在圖5的表中給出。PSoC是通過(guò)一個(gè)包含電源、地以及編程引腳SCL和SDA的ISSP接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)編程的。而通過(guò)一個(gè)DB9連接器將電腦與電容式傳感電路板相連。
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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(shí)，均對(duì)Button1的電容進(jìn)行測(cè)量。原始計(jì)數(shù)值被存儲(chǔ)于CSR_1_iaSwResult[ ]陣列中。用戶(hù)模塊還跟蹤一個(gè)用于原始計(jì)數(shù)的基線(xiàn)。每個(gè)按鍵的基線(xiàn)值均為一個(gè)由軟件中的IIR濾波器進(jìn)行周期性計(jì)算的平均原始計(jì)數(shù)值。IIR濾波器的更新速率是可編程的。基線(xiàn)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(kāi)關(guān)差分陣列CSR_1_iaSwDiff[ ]包含消除了基線(xiàn)偏移的原始計(jì)數(shù)值。利用開(kāi)關(guān)差值來(lái)決定按鍵目前的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。這可使系統(tǒng)的性能保持恒定，即便在基線(xiàn)有可能隨著時(shí)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(shí)現(xiàn)的差分計(jì)數(shù)與按鍵狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
圖6：差分計(jì)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(lái)了開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換，即使計(jì)數(shù)是有噪聲的情況下也不例外。同時(shí)這還給按鍵帶來(lái)了一種反跳功能。低門(mén)限被稱(chēng)為“噪聲門(mén)限”，而高門(mén)限則被稱(chēng)為“手指門(mén)限”。門(mén)限水平的設(shè)定決定了系統(tǒng)的性能。當(dāng)覆蓋層非常厚時(shí)，信噪比很低。在此類(lèi)系統(tǒng)中設(shè)定門(mén)限水平是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，而這恰好是電容式傳感設(shè)計(jì)技巧的一部分。
圖7展示了一個(gè)持續(xù)時(shí)間為3秒的按鍵觸壓操作的理想原始計(jì)數(shù)波形。
圖7：將門(mén)限水平繪制在一個(gè)去除了基線(xiàn)的原始計(jì)數(shù)圖上。
噪聲門(mén)限被設(shè)定的計(jì)數(shù)值為10，而手指門(mén)限設(shè)定的計(jì)數(shù)值則為60。實(shí)際上，在實(shí)際計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)中噪聲分量是始終存在，圖中沒(méi)有顯示是為了能清晰地顯示門(mén)限水平。
部分調(diào)整過(guò)程還包括選擇電流源DAC的電平以及設(shè)置用于計(jì)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)定在其低電流范圍內(nèi)，數(shù)值為200(最高255)，大約對(duì)應(yīng)于14μA。函數(shù)CSR_1_SetScanSpeed(255)把振蕩器周期數(shù)設(shè)定為253(255－2)。原始計(jì)數(shù)和差分計(jì)數(shù)的分析表明：該系統(tǒng)的寄生引線(xiàn)電容CP約為15pF而手指電容CF約為0.5pF。可見(jiàn)，手指電容使總電容產(chǎn)生了約3%的變化。對(duì)于每個(gè)按鍵，每個(gè)原始計(jì)數(shù)值的采集所需要的時(shí)間僅為500μs。
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測(cè)量性能
電容式傳感系統(tǒng)的性能測(cè)量結(jié)果示于圖8中。
通過(guò)一個(gè)終端仿真程序，在主PC上獲得差分計(jì)數(shù)，然后借助電子制表軟件加以繪制。將手指放置在10mm厚的玻璃覆蓋層上，并持續(xù)3秒的時(shí)間。按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)被疊加在原始計(jì)數(shù)上。按鍵在這兩種狀態(tài)之間干凈利落地轉(zhuǎn)換，即使是由于通過(guò)厚玻璃進(jìn)行檢測(cè)而使原始計(jì)數(shù)信號(hào)中具有較大的噪聲時(shí)也是如此。請(qǐng)注意手指和按鍵門(mén)限隨著基線(xiàn)的漂移而進(jìn)行周期性調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到手指的觸壓動(dòng)作時(shí)，基線(xiàn)值將鎖定，直到手指移開(kāi)為止。
圖9顯示了兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換處的局部細(xì)節(jié)圖。
在圖9a中，按鍵初始狀態(tài)為斷(OFF)狀態(tài)。超過(guò)手指門(mén)限的差分計(jì)數(shù)的第一個(gè)采樣把按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換至通(ON)狀態(tài)。在圖9b中，低于噪聲門(mén)限的差分計(jì)數(shù)的第一個(gè)采樣將按鍵轉(zhuǎn)換至斷狀態(tài)。
與機(jī)械式開(kāi)關(guān)相比，基于電容的觸摸傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是耐用性好，不易損壞，可以長(zhǎng)期使用。混合信號(hào)技術(shù)的近期發(fā)展，不僅使得觸摸式傳感器的成本在各種消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中降到了具有成本效益的水平，而且還提高了檢測(cè)電路的靈敏度和可靠性(因?yàn)樵黾恿烁采w層的厚度和耐用性)。利用本文介紹的設(shè)計(jì)方法，說(shuō)明通過(guò)一個(gè) 10mm的玻璃來(lái)檢測(cè)手指的按鍵觸壓是可能的，并利用基于噪聲門(mén)限和手指門(mén)限的反跳法，實(shí)現(xiàn)了按鍵開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的干凈利落的轉(zhuǎn)換，從而使電容式觸摸傳感器成為機(jī)械式開(kāi)關(guān)元件的一種實(shí)用型替代方案。
