手機中的電容式傳感解決方案

在中端手機行業(yè)中，用戶界面的改善是新款手機獲得成功的關鍵。如果一款手機根本沒有人愿意用，那么它再好又有什么意義！考慮到這一點，制造商們正專注于開發(fā)創(chuàng)新技術，以便在不降低手機用戶界面(CPUI)的性能的情況下替換尺寸較大的按鈕和開關。在CPUI中采用電容式傳感是縮減尺寸的一種行之有效的技術，它可提供低成本、魯棒性、靈活性以及一個直觀的CPUI，而且還與現(xiàn)有設備的外形尺寸和功能兼容。電容式傳感功能可以與白光LED驅動和電池充電等其它標準手機功能相組合，以進一步降低手機的成本。賽普拉斯采用CapSense技術的PSoC混合信號陣列可讓制造商輕松地在其手機中增加電容式傳感功能。

典型的中端CPUI由幾個按鈕、開關和顯示屏組成。如果只是想擁有基本功能，CPUI僅需一個字母數(shù)字鍵盤、顯示屏，或許再加上一個電源開關就足夠了。但目前制造商設計的手機能夠瀏覽網(wǎng)頁、發(fā)送文本消息、拍攝照片、甚至存儲和播放背景音樂。在消費市場上，這些功能是吸引大多數(shù)消費者的關鍵因素。為支持這些功能，制造商需要增加CPUI的功能。對CPUI而言，功能的增加將產生兩種后果：要么尺寸變大，要么更加復雜。不幸的是，消費者同樣對更簡單、小巧的手機情有獨鐘。手機制造商如何才能解決消費者提出的這一難題呢？一種可能的辦法就是用電容式傳感器來取代傳統(tǒng)的按鈕和開關。電容式傳感器能很容易地替換時下CPUI最為常用的數(shù)字開關和線性滑塊。

電容式傳感器的基本形式就是一對相鄰的極板。在這些相鄰的極板之間存在著固有電容，電容值與極板的厚度成正比，與極板之間的距離成反比。在理想情況下，這是傳感器唯一可測到的電容。當把一個導體(比如手指)放在靠近兩塊極板的地方時，就會給固有電容增加一個并聯(lián)電容。此時，可測量的電容值便是固有電容值與手指至傳感器的耦合電容值之和。當把手指放在電容式傳感器之上，電容將增加。拿開手指后，電容將減小。智能地測量電容值的變化就可以確定手指是否存在。


圖1：典型弛張振蕩器拓撲結構。

電容式傳感器由普通電子線路印刷電路板(PCB)上兩個有一定間隔的相鄰銅焊盤或銅線組成。這是一個基本的電容式數(shù)字開關。同樣地，線性滑塊由PCB上電容式傳感器的一個陣列構成。典型情況下，傳感器的一塊銅極板接地，只留有一塊有源極板。實際上，邊緣電容會增加傳感器的固有電容，通常總的典型值為10pF～30pF。典型的手指耦合電容值為1pF～2pF。實現(xiàn)電容式傳感器的挑戰(zhàn)在于設計一個能夠測量3%的電容變化(由手指引起)的電路。

弛張振蕩器是一種簡單而有效的電容測量電路。典型的弛張振蕩器電路拓撲結構(圖1)包括4個元件：同步比較器、電流源、放電開關和電容式傳感器。

一開始，放電開關處于開路狀態(tài)，電流源對電容式傳感器進行線性充電。電容式傳感器上的電壓斜線上升，直到超過比較器的閾值。比較器的輸出從低電平變換至高電平，使放電開關閉合。電容式傳感器通過該低阻抗通道迅速向地放電。該過程將使比較器的輸出由高變低，然后重復循環(huán)。輸出頻率(fout)取決于充電電流和電容式傳感器數(shù)值，關系式如下：

典型設計將振蕩器頻率設定在20kHz至200kHz的范圍內，然后將該頻率饋入一個智能測量電路。通過測量頻率的變化，即可判定手指是否存在。有兩種廣為采用的測量弛張振蕩器頻率的方法：一種是測量頻率，另一種是測量周期。


圖2：頻率測量的電路與波形。

頻率測量是指利用門控定時器，在一段固定時間內測量弛張振蕩器的頻率(圖2)。通過讀取定時器來確定在固定時間中累積的計數(shù)值。這種方法適用于與振蕩器周期相比，電容式傳感器的放電時間可以忽略不計的低頻應用。

周期測量利用振蕩器頻率作為脈寬調制器(PWM)的門控信號(圖3)。一個比弛張振蕩器頻率更高的頻率被用來對定時器定時。定時器時鐘越快，測量電容的分辨率越高。可采用傳統(tǒng)的555定時器或更加復雜的微控制器輕松實現(xiàn)這兩種方法。由于確定手指存在與否需要借助智能軟件算法，基于微控制器的解決方案似乎更加精巧。

PSoC混合信號陣列

賽普拉斯的PSoC混合信號陣列CY8C21x34和CY8C24794系列產品采用CapSense技術，具有一組獨特的硬件特性，它通過弛張振蕩器拓撲結構實現(xiàn)具有成本效益、簡單的電容式傳感設計。圖4給出了這種拓撲結構。這組特性包括：多倍精度定時器和計數(shù)器、自動連接放電開關的比較器、可編程電流源以及一個可使每個引腳都成為潛在電容式傳感器的通用模擬多路復用器。和所有的PSoC一樣，實現(xiàn)特定應用所需的外設均通過內部寄存器來配置。PSoC Designer是為PSoC應用設計提供幫助的軟件工具，它包括專用用戶模塊和向導，以針對電容式傳感設計配置內部寄存器。這一對功能強大的組合為工程師們提供了實現(xiàn)簡單的電容式數(shù)字開關(甚至更加復雜的電容式線性滑塊)所需的工具。除了內部寄存器配置之外，PSoC Designer還包括必要的軟件程序，用于確定數(shù)字開關上是否有手指觸摸或者確定手指在線性滑塊上的準確位置。為實現(xiàn)完整的電容式傳感應用，這種智能是必需的。

周期測量的電路與波形(圖3)以及用于電容式傳感的PSoC弛張振蕩器拓撲結構(圖4)。

該軟件算法提供兩個智能化功能。第一個功能是把從測量電路獲得的計數(shù)值轉換為手指檢測結果。數(shù)字開關和線性滑塊均需要這一功能。第二個功能是利用多傳感器陣列的電容加權平均值計算手指在線性滑塊上的位置。雙單元滑塊有一個固有的單元最低有效位(LSB)。如果手指在滑塊之上，則它可以位于單元1和/或單元0之上。但是，從分辨率來看，手指位置通常超過各個電容式傳感器的物理間距，因此第二個功能還融合了一個插值算法。插值處理將LSB從1單元減小至1/2單元、1/4單元或1/16單元。插值是實現(xiàn)平滑的電容式線性滑塊的關鍵。CapSense技術和智能軟件算法的結合使PSoC成為了電容式傳感應用領域的佼佼者。

電容式數(shù)字開關可輕而易舉地取代當今CPUI中的基本字母數(shù)字鍵盤和電源開關。這種替代方案具有雙重優(yōu)點：CPUI的物理厚度和總成本均有所縮減。利用電容式傳感，多種復雜和基本的CPUI功能可以被整合在一個電容式線性滑塊中?；瑝K提供用于網(wǎng)頁瀏覽或地址簿遍歷的翻屏功能、音量控制、甚至亮度控制功能。實現(xiàn)所有這些功能所占用的空間小于傳統(tǒng)CPUI所需的空間。

二維線性滑塊可將傳統(tǒng)的CPUI轉變成觸摸板(與普通便攜式電腦所使用的觸摸板相似)。具有觸摸板CPUI的中端手機能夠提供諸如光標控制等更便于操作的功能。電容式觸摸板的另一個特點是能適應各種幾何形狀。當與如今許多中端手機的外形和功能融為一體時，觸摸板提供無縫的靈活性。

一個需要解決的問題是與周圍環(huán)境的隔離。如果允許手指直接接觸電容式傳感器，或者受其它外界環(huán)境的危害，手機的使用壽命就會縮短。因此，必須利用絕緣材料將電容式傳感器與周圍環(huán)境隔離開來。便攜式電腦和媒體設備制造商常常采用聚脂膠帶或塑料膜提供必要的隔離。不幸的是，絕緣材料將降低手指與傳感器之間的耦合電容。較低耦合電容意味著手指檢測靈敏度下降。常見的隔離材料厚度值為0.5mm，最大厚度接近2mm。如果超過該厚度，電容式傳感器的靈敏度將低至無法到檢測手指的存在。

雖然采用絕緣層會造成總體靈敏度下降，但它卻為手機制造商提供了一條創(chuàng)新的途徑。制造商可以把二維傳感器隱匿于各種色彩絢爛的塑料膜的后面。在這種塑料膜的表面絲印了可提供基本手機功能的字母數(shù)字圖案，再沿著塑料膜的周邊絲印一個滾動條，這樣就能夠實現(xiàn)高級功能。同樣的電容式觸摸板加上各種塑料膜便能實現(xiàn)多個CPUI功能。

電容式傳感功能也可與其它的標準手機功能相結合以降低手機成本。采用CapSense技術的PSoC混合信號陣列就是為提供這種靈活性而設計。PSoC能夠驅動嵌入在手機顯示屏內的白光LED，甚至還可為內部的手機電池充電。以往一直由分離的微控制器來處理的功能如今已可被集成到單個PSoC中。

對當今的中端手機制造商而言，電容式傳感技術具有強大優(yōu)勢。電容式傳感CPUI不僅改進了手機的工業(yè)設計，而且還為不斷增加的消費市場需求提供了創(chuàng)新的解決方案。賽普拉斯采用CapSense技術的PSoC混合信號陣列是實現(xiàn)高性能并具有成本效益的電容式傳感解決方案的關鍵。