電容式觸摸感應(yīng)界面實(shí)現(xiàn)方案

觸摸感應(yīng)按鍵因其易于使用、美觀且不涉及機(jī)械運(yùn)動(dòng)而在日常的人機(jī)界面應(yīng)用中得以普及，尤其是電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)PCB設(shè)計(jì)中的銅焊盤來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而相比其他技術(shù)更受歡迎。

本文將對(duì)電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)的基本原理進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。文中將會(huì)介紹如何利用CVD（電容分壓器）技術(shù)和一個(gè)稱為充電時(shí)間測(cè)量單元（CTMU）的單片機(jī)外設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有最少外部元器件的低成本電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)，還將給出一個(gè)參考設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明如何用電容式觸摸感應(yīng)按鍵來(lái)替代機(jī)械開關(guān)。

近來(lái)，電容式感應(yīng)滾輪在許多設(shè)備中所獲得的成功使得此項(xiàng)技術(shù)比起其他觸摸感應(yīng)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。

電容式觸摸感應(yīng)的原理

當(dāng)任何具有電容特性的物體（例如手指）接觸電容式觸摸感應(yīng)器時(shí)，都將因其介電特性而充當(dāng)另一電容。這將改變系統(tǒng)的有效電容，從而以此檢測(cè)觸摸動(dòng)作。

如圖1所示，手指充當(dāng)其中一個(gè)平行極板，而另一個(gè)平行極板則連接到芯片的傳感器輸入端。人體血液中的鐵質(zhì)將產(chǎn)生一組電容，這些電容附著于體表。當(dāng)這一電容組接近導(dǎo)體時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)實(shí)質(zhì)上耦合到地的電容，在確定觸摸時(shí)它將反映為測(cè)量電壓的變化。

一個(gè)典型的電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)由三個(gè)主要功能模塊組成：一個(gè)用于電容式感應(yīng)的模擬模塊，一個(gè)用于處理數(shù)據(jù)的控制器和一個(gè)用于與主處理器進(jìn)行通信的接口模塊。

電容式觸摸感應(yīng)解決方案可通過(guò)利用基于電壓變化的技術(shù)來(lái)有效實(shí)現(xiàn)，如：通過(guò)使用單片機(jī)的片上充電時(shí)間測(cè)量單元（CTMU）外設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)；或者通過(guò)采用電壓分壓器（CVD）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)采用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）而無(wú)需用到任何專用的電容式觸摸感應(yīng)外設(shè)。

1. 利用CTMU外設(shè)實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)

CTMU外設(shè)是一個(gè)靈活的模擬模塊，它可與一個(gè)ADC結(jié)合使用來(lái)精確測(cè)量電容。它包含一個(gè)與此ADC通道相連的恒流源，如圖2所示。CTMU使用恒流源來(lái)計(jì)算電容的變化和不同事件間的時(shí)間差。

與CVD相比，CTMU可提供更快的響應(yīng)速度，因?yàn)樗哂卸鄠€(gè)不同的電流源范圍，這將有助于以更快的速度為模擬通道充電，從而改善電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

CTMU外設(shè)用于電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用是利用公式I×T=C×V實(shí)現(xiàn)的。其中：I是CTMU的恒流源，T是CTMU為電容式觸摸感應(yīng)器充電的固定周期，C是電容式觸摸感應(yīng)器的電容，V是電容式觸摸感應(yīng)器電壓（通過(guò)ADC讀?。?。

將該公式重新整理成C=（I×T）/V的形式，便可通過(guò)觀察電壓變化來(lái)檢測(cè)電容的相對(duì)變化。根據(jù)前面的公式，下面給出了檢測(cè)觸摸過(guò)程所涉及的各個(gè)步驟：將電容式觸摸感應(yīng)器（作為一個(gè)電容）連接到一個(gè)與CTMU外設(shè)和ADC多路復(fù)用的通道；最初，恒流源在一段固定的時(shí)間周期（T）內(nèi)為觸摸感應(yīng)器充電，且傳感器上的電壓（V）通過(guò)ADC測(cè)出，如圖3所示；只要因觸摸感應(yīng)器焊盤而產(chǎn)生的電容不發(fā)生變化，在連續(xù)多次測(cè)量電荷的過(guò)程中，電壓就不會(huì)發(fā)生變化。

CTMU外設(shè)中存在的恒流源，結(jié)合多通道ADC,為與電容式觸摸感應(yīng)器接口提供了有效的平臺(tái)。將CTMU外設(shè)直接連接到ADC的輸入端，使其可通過(guò)模擬多路開關(guān)連接到任何引腳。借助這種配置，單個(gè)CTMU外設(shè)可測(cè)量的傳感器個(gè)數(shù)將等于ADC通道數(shù)。

與電流源相關(guān)的微調(diào)位方便了校準(zhǔn)，由此便可應(yīng)對(duì)外部干擾和傳輸損耗。