基于中穎8位MCU的觸摸按鍵方案

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(duì)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(cè)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(cè)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(kù)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(cè)功能。
 
RC感應(yīng)原理

    RC采樣原理就是通過測(cè)量觸摸電極電容的微小變化，來感知人體對(duì)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(duì)介電常數(shù)( )，空氣相對(duì)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(cè)
 
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(cè)量充電時(shí)間
 
      通過計(jì)算 的電壓達(dá)到閥值 所需要的充電時(shí)間( )，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， )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， )。電極電容應(yīng)該盡可能的小，以保證檢測(cè)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(cè)到手指是否觸摸了電極。

 

圖3    觸摸感應(yīng)

     這就是用于檢測(cè)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( )和手指電容( )并聯(lián)的電容(大約5pF) 形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)該RC網(wǎng)絡(luò)充放電時(shí)間的測(cè)量，可以檢測(cè)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(cè)的靈敏度。電容R2(10KΩ)是可選的，用于減少對(duì)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(cè)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(cè)量需要足夠的精確。
采用一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)器(無(wú)需IC功能)和一系列簡(jiǎn)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(cè)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(cè)量方法會(huì)由于多次測(cè)量帶來一些抖動(dòng)，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(chǎng)合。

基本測(cè)量
     使用普通定時(shí)器進(jìn)行充電時(shí)間的測(cè)量。對(duì)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( )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(duì)輸入電壓達(dá)到高電平和低電平( 和 )的時(shí)間測(cè)量。 為了跨越所有的取值范圍，每次測(cè)量都比上一次測(cè)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(cè)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(cè)量


輸入電壓測(cè)量的原理
     為了提高在電壓和溫度變動(dòng)情況下的穩(wěn)定性，對(duì)電極會(huì)進(jìn)行連續(xù)兩次的測(cè)量：第一次測(cè)量對(duì)電容的充電時(shí)間，直到輸入電壓升至 。第二次測(cè)量電容的放電時(shí)間，直到輸入電壓降至 。下圖以及以下的表格詳細(xì)說明了對(duì)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(cè)量
 
表2    電容充放電測(cè)量步驟
步驟    描述
1    1. 負(fù)載I/O引腳設(shè)置成輸出模式，輸出VDD
2. 感應(yīng)I/O引腳設(shè)置成輸出模式，輸出VDD
3. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的初始值(vih_start)

2    感應(yīng)I/O設(shè)置成輸入高阻模式
于是電極電容 開始充電

3    當(dāng)感應(yīng)I/O引腳上的電壓達(dá)到 ：
1. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值(vih_stop)，并由此計(jì)算達(dá)到高電平 的時(shí)間(vih_stop – vih_start)，并保存
2. 感應(yīng)I/O引腳設(shè)置成輸出模式，輸出VDD
3. 負(fù)載I/O引腳設(shè)置成輸出模式，輸出到地
4. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的初值(vil_start)

4    感應(yīng)I/O引腳設(shè)置成輸入高阻模式 于是電極電容 開始放電

5    當(dāng)感應(yīng)I/O引腳上的電壓降至 ：
1. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值(vil_stop)，并由此計(jì)算降到低電平 的時(shí)間(vil_stop – vil_start)，并保存
2. 將兩次測(cè)量值“vih_meas”和“vil_meas”相加并保存
3. 重復(fù)步驟1的操作

觸摸的效果
     電極的電容值( )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 有關(guān)。圖8說明了這種“觸摸的效果”。 時(shí)間<t1’>(即達(dá)到了 電平的時(shí)刻)比<t1>長(zhǎng)；同樣對(duì)于降至 電平的時(shí)間<t2’>也比<t2>長(zhǎng)。
圖8    觸摸效果實(shí)例
 

多次測(cè)量以及高頻噪聲的去除
      為了提高測(cè)量的精確度，并去除高頻噪聲，有必要對(duì) 和 進(jìn)行多次的測(cè)量，然后再?zèng)Q定是否有按鍵被有效“觸摸”。

圖9    測(cè)量的種類


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

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

圖10 顯示了沒有噪聲的影響，所有測(cè)量都有效的情況。 這個(gè)例子中，每個(gè)連續(xù)組測(cè)量中的測(cè)量都有效，使得一個(gè)完整的測(cè)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(cè)量無(wú)效的情況(即r1和r2)。 在這個(gè)例子中，連續(xù)組測(cè)量BG3重復(fù)了好幾次，直到其中的所有測(cè)量都有效，該次組測(cè)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(cè)量。

圖11      實(shí)例2
 

圖12 顯示了有很多噪聲，使得無(wú)效的組測(cè)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(cè)量都無(wú)效。 這個(gè)例子中，達(dá)到了無(wú)效的組測(cè)量次數(shù)的最大限制，因此停止對(duì)該電極的測(cè)量。

圖12      實(shí)例3