手機(jī)中的電容式傳感及終端CPUI解決方案

　　在中端手機(jī)行業(yè)中，用戶界面的改善是新款手機(jī)獲得成功的關(guān)鍵。如果一款手機(jī)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(shù)，以便在不降低手機(jī)用戶界面(CPUI)的性能的情況下替換尺寸較大的按鈕和開關(guān)。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(shù)，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(shè)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(qū)動和電池充電等其它標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)功能相組合，以進(jìn)一步降低手機(jī)的成本。賽普拉斯采用CapSense技術(shù)的PSoC混合信號陣列可讓制造商輕松地在其手機(jī)中增加電容式傳感功能。

　　典型的中端CPUI由幾個按鈕、開關(guān)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(guān)就足夠了。但目前制造商設(shè)計的手機(jī)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(fèi)市場上，這些功能是吸引大多數(shù)消費(fèi)者的關(guān)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(chǎn)生兩種后果：要么尺寸變大，要么更加復(fù)雜。不幸的是，消費(fèi)者同樣對更簡單、小巧的手機(jī)情有獨鐘。手機(jī)制造商如何才能解決消費(fèi)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(guān)。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(guān)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(dāng)把一個導(dǎo)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(dāng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　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(guān)。同樣地，線性滑塊由PCB上電容式傳感器的一個陣列構(gòu)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?？偟牡湫椭禐?0pF～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(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖1)包括4個元件：同步比較器、電流源、放電開關(guān)和電容式傳感器。

　　一開始，放電開關(guān)處于開路狀態(tài)，電流源對電容式傳感器進(jìn)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(guān)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(fù)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(guān)系式如下：

　　典型設(shè)計將振蕩器頻率設(shè)定在20kHz至200kHz的范圍內(nèi)，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(nèi)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(yīng)用。

　　周期測量利用振蕩器頻率作為脈寬調(diào)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(fù)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(chǎn)品采用CapSense技術(shù)，具有一組獨特的硬件特性，它通過弛張振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)具有成本效益、簡單的電容式傳感設(shè)計。圖4給出了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(guān)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(fù)用器。和所有的PSoC一樣，實現(xiàn)特定應(yīng)用所需的外設(shè)均通過內(nèi)部寄存器來配置。PSoCDesigner是為PSoC應(yīng)用設(shè)計提供幫助的軟件工具，它包括專用用戶模塊和向?qū)В葬槍﹄娙菔絺鞲性O(shè)計配置內(nèi)部寄存器。這一對功能強(qiáng)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(guān)(甚至更加復(fù)雜的電容式線性滑塊)所需的工具。除了內(nèi)部寄存器配置之外，PSoCDesigner還包括必要的軟件程序，用于確定數(shù)字開關(guān)上是否有手指觸摸或者確定手指在線性滑塊上的準(zhǔn)確位置。為實現(xiàn)完整的電容式傳感應(yīng)用，這種智能是必需的。

　　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(zhuǎn)換為手指檢測結(jié)果。數(shù)字開關(guān)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(quán)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(guān)鍵。CapSense技術(shù)和智能軟件算法的結(jié)合使PSoC成為了電容式傳感應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者。

　　電容式數(shù)字開關(guān)可輕而易舉地取代當(dāng)今CPUI中的基本字母數(shù)字鍵盤和電源開關(guān)。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(fù)雜和基本的CPUI功能可以被整合在一個電容式線性滑塊中。滑塊提供用于網(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。