Cypress CapSense技術(shù)讓觸摸按鍵產(chǎn)品特性更豐富

1. 簡介

觸摸按鍵應(yīng)用的范圍越來越廣，從手機，GPS導(dǎo)航儀，到白色家電，門禁系統(tǒng)等眾多產(chǎn)品中都能發(fā)現(xiàn)觸摸按鍵的身影。隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，市場上提供觸摸按鍵解決方案的芯片也越來越多。當(dāng)面對眾多的設(shè)計方案，設(shè)計者常常希望能夠找到性價比高的IC產(chǎn)品，因此如果一顆IC不僅可以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的觸摸按鍵，還能為產(chǎn)品增加更多豐富特性，無疑可以拓寬產(chǎn)品的設(shè)計范圍，使產(chǎn)品更加獨特、具有吸引力。Cypress獨有的CapSenseTM技術(shù)即可實現(xiàn)這一目標(biāo)，本文以幾個案例展示該技術(shù)如何讓產(chǎn)品特性更豐富。

2. 人體接近感應(yīng)

人體接近感應(yīng)常見的解決方案是主動式反射紅外接近感應(yīng)，主動式紅外探測器的發(fā)射器發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束，經(jīng)物體反射后被紅外接收器接收，當(dāng)人體靠近時，紅外光束被部分或全部遮擋，此時接收機接收的信號就會發(fā)生變化，該信號經(jīng)放大與信號處理后，即可控制發(fā)出報警信號。該方案的優(yōu)點是探測距離遠(yuǎn)，但是存在紅外視角等問題。實際上，對于很多電子產(chǎn)品來說，其探測距離要求僅需達(dá)到十厘米左右，甚至幾個厘米即可, 這樣的檢測距離CapSenseTM完全能夠滿足。

CapSenseTM將接近感應(yīng)區(qū)作為一個特殊的“接近感應(yīng)按鍵”，與其他觸摸按鍵一樣連接在芯片管腳上，通過特殊設(shè)計的“接近感應(yīng)按鍵”布局以及軟件動態(tài)調(diào)整“接近感應(yīng)按鍵”的靈敏度，可以檢測到由人體接近引起的微弱電容變化。針對不同的檢測距離，需要設(shè)計不同的硬件感應(yīng)區(qū)。

如果需要10~20厘米左右的接近感應(yīng)，可以使用一個導(dǎo)線作為感應(yīng)區(qū)。圖 1是Cypress提供的接近感應(yīng)評估板，白色部分即為導(dǎo)線，通過PCB板上走線與芯片管腳連接。導(dǎo)線的材質(zhì)和線徑?jīng)]有特殊要求，形狀也無需為閉合線圈，但需注意導(dǎo)線周圍1.5英寸內(nèi)不要有金屬物體或是地平面，否則會影響感應(yīng)距離。另外應(yīng)將導(dǎo)線固定在某一絕緣物體上以免震動引起導(dǎo)線搖晃，搖晃過程中如果導(dǎo)線靠近導(dǎo)電物體則可能引起誤觸發(fā)。

如果機械結(jié)構(gòu)決定無法安裝導(dǎo)線，也可以通過在PCB板上布置一根粗銅線實現(xiàn)接近感應(yīng)功能，圖 2按鍵周圍一圈黑色粗線即為接近感應(yīng)區(qū)，與導(dǎo)線式類似，粗銅線也被看做一個“特殊按鍵”連在一個芯片管腳上。銅線線寬至少需要1毫米，線周圍至少1.5到2英寸范圍內(nèi)不能有地平面，以便達(dá)到10厘米以上的接近感應(yīng)距離。

用于接近感應(yīng)的銅線

產(chǎn)品在實際開發(fā)過程中，常常會動態(tài)修改需求定義，例如增加1~2厘米的接近感應(yīng)以點亮系統(tǒng)LED背光，此時如果重新設(shè)計PCB布置銅線，無論在成本上還是研發(fā)時間上都無法滿足要求。CapSenseTM的技術(shù)結(jié)構(gòu)使得設(shè)計者可以復(fù)用已有的觸摸按鍵區(qū)實現(xiàn)近距離的接近感應(yīng)，無需增加新的硬件設(shè)計。具體實現(xiàn)方式上有兩種，一種稱為群組掃描，CapSenseTM可以在掃描時將所有按鍵并聯(lián)在一起，此時掃描任意一個按鍵，都是對所有按鍵區(qū)域的掃描，一旦人體靠近任何一個按鍵，都會引起觸發(fā)執(zhí)行相應(yīng)的接近感應(yīng)操作;另外一種方式是動態(tài)提高每個按鍵的靈敏度，使得人體還沒有實際接觸到按鍵即可實現(xiàn)觸發(fā)。這兩種方式都可以在不改板的情況下，實現(xiàn)1~2厘米的接近感應(yīng)，設(shè)計者僅需注意電路板上按鍵區(qū)與周圍地平面的間隙至少需要1毫米。

3. 溢出檢測

溢出檢測是使用CapSenseTM針對電磁爐產(chǎn)品增加的額外特性。在電磁爐的使用過程中，鍋具中的被加熱物可能由于意外或者沸騰溢出，這會造成一些潛在的危險從而損害爐具或傷害使用者。對于使用電容觸摸按鍵的電磁爐，被加熱物溢出還可能造成電磁爐按鍵的誤動作，從而給使用者帶來風(fēng)險危險。

溢出檢測的基本原理是在電磁爐的面板下方安裝了一圈金屬物體作為電容傳感器，并將其引到處理器的輸入管腳。這個電容傳感器可以為金屬片、金屬膜、金屬鍍層等，如圖 3所示。當(dāng)水溢出落在傳感器的上方，會與傳感器產(chǎn)生感應(yīng)電容，CapSenseTM通過檢測電容變化判斷是否需要停止電磁爐工作以保證系統(tǒng)不會發(fā)生危險或是按鍵發(fā)生誤觸發(fā)。

電磁爐工作時產(chǎn)生20K左右的電磁振蕩，放置在加熱盤的鐵質(zhì)容器由于電磁感應(yīng)，在容器底部產(chǎn)生渦流，進(jìn)而生成熱量加熱鍋內(nèi)食物。在電磁爐加熱盤周圍放置的金屬環(huán)必然會將加熱用的電磁振蕩耦合進(jìn)檢測電路，從而產(chǎn)生噪聲。圖 4的原始采樣數(shù)據(jù)清晰的反映了噪聲的存在，圖中初始的一段直線是電磁爐主振蕩電路沒有工作時采集到的數(shù)值,一旦主振蕩電路開始工作，采集到的數(shù)值有明顯的交流干擾,當(dāng)爐具面板上有水覆蓋時，采集數(shù)據(jù)的平均值比無水時有了一定幅度的提高。

使用低通濾波器將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，可以得到圖 5的濾波效果。此時主振蕩電路的交流干擾基本已被濾去，與圖 4相比，溢出的水產(chǎn)生的信號變化更加清晰。將濾波后電磁爐主振蕩電路工作時的采樣數(shù)據(jù)作為參考基準(zhǔn)值，然后實時檢測當(dāng)前電容傳感器的值，如果當(dāng)前數(shù)值與參考值的差大于某個閾值，即可判定當(dāng)前面板上有水溢出。由于電路和電容傳感器的形狀大小直接影響低通濾波算法和閾值的確定，因此這二者都需通過實驗方式獲得。

4. 防水保護(hù)

電容式觸摸按鍵對于水的影響是比較敏感的， 圖 6中左側(cè)的采樣數(shù)據(jù)是手指觸摸引起的信號變化，右側(cè)的采樣數(shù)據(jù)是水流過感應(yīng)區(qū)表面時的信號變化，對比可以發(fā)現(xiàn)水產(chǎn)生的信號變化最大值與手指信號變化相差無幾，如果沒有特別的處理，水很輕易的就會引起觸摸按鍵的誤觸發(fā)。設(shè)計者在定義一個產(chǎn)品時，具有抵抗潮濕環(huán)境或是突然出現(xiàn)的水引起的誤觸發(fā)能力是可靠性的關(guān)鍵組成部分，而如果在水膜覆蓋感應(yīng)區(qū)時產(chǎn)品仍能正常工作，則進(jìn)一步具備了與其他產(chǎn)品明顯不同的性能優(yōu)勢。

Cypress的CapSenseTM的防水保護(hù)電極方案(Waterproof Electrode)可以為產(chǎn)品提供高性能的防水效果，不僅不會發(fā)生水引起的誤觸發(fā)，而且在水層完全覆蓋在感應(yīng)區(qū)表面時仍能正常工作。設(shè)計者只需在設(shè)計PCB時增加一個防水保護(hù)電極，并將其引到指定的芯片管腳，然后在Cypress的IDE中使能防水保護(hù)電極，即可實現(xiàn)高性能的防水，其間無需編寫任何一行軟件代碼，所有的防水保護(hù)都是通過防水保護(hù)電極，由芯片內(nèi)部的保護(hù)電路完成。

圖 7是防水保護(hù)電極設(shè)計示意圖，圖中黃色部分是感應(yīng)按鍵，綠色部分都是PCB，所有的按鍵周圍都由同一個防水電極包圍，并與按鍵之間保持一定間隙。圖中防水電極采用的是實心覆銅，一般在實際應(yīng)用采用網(wǎng)格覆銅，網(wǎng)格的線寬為7mil，網(wǎng)格的間距為70mil，與按鍵之間間距至少為1毫米。將防水電極連在指定芯片管腳并在IDE中配置其處于工作狀態(tài)，當(dāng)水出現(xiàn)在感應(yīng)區(qū)時可以得到圖 8的采樣結(jié)果。圖中左側(cè)是沒有使能防水電極的采樣數(shù)據(jù)，右側(cè)是防水電極使能之后的采樣數(shù)據(jù)，可以看出水的影響已經(jīng)徹底消除，避免了誤觸發(fā)的危險，同時手指觸摸的信號變化和無水時沒有明顯不同，從而使得有水覆蓋時仍然能夠正常工作。

5. 總結(jié)

上述三例都是CapSenseTM在實現(xiàn)基本觸摸按鍵功能之外，為產(chǎn)品增加更多特性的案例，實際上，CapSenseTM還可以實現(xiàn)檢測水位，或者在接近感應(yīng)的基礎(chǔ)上增加手勢判斷等特性。有了Cypress CapSenseTM這一成熟、穩(wěn)定、可靠的電容檢測技術(shù)，設(shè)計者可以充分發(fā)揮想象，設(shè)計更加豐富多彩的觸摸按鍵產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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