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CapSense方案可简化电容性触摸感测设计 |
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作者：电子工程专辑 Matt Basinger |
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与传统的机械按钮、滑块和电位计相比，电容性触摸感测技术具有很多优势，并正在迅速成为从移动电话菜单导航到汽车面板显示屏按钮等诸多应用的首选输入技术。本文介绍赛普拉斯公司开发的低成本电容性触摸感测设计方案。
由于可通过厚度各异的玻璃或塑料表层感测手指的存在，电容性触摸感测技术为众多应用领域(包括工业和白色家电)的人机界面增加了坚固性。笔记本电脑采用的触摸板就是人们最为熟知的电容性触摸感测实例。近年来，多款畅销的MP3播放机也已开始采用电容性触摸感测技术提供简易导航，并普及电容性触摸感测输入法。
不过，该技术的传统实现方法采用灵活性欠佳、高成本的模块型设计解决方案，并涉及使用授权等问题。为解决这些问题，赛普拉斯半导体公司推出了一款名为CapSense的新型设计方法，消除了模块的“黑匣子”障碍，可实现迄今为止成本最低的解决方案。
有些触摸感测技术看起来与电容性触摸感测技术很相似(例如，电阻性薄膜和场效应等)，但最终的性能对比却显现出不足。电阻性薄膜测量的是覆盖在显示屏上的两个电阻性薄板之间的电压变化，电阻性薄膜不仅价格昂贵，而且容易磨损，使用寿命不长。
而场效应则是检测电场的变化，这种变化会在存在导电元件时发生。目前，场效应实现方案的造价非常昂贵，因为它需要一个系统控制器，而且每个开关都将增设一个IC。由于每个IC传感器都必须与附近的传感器隔离开，因此，场效应设计欠缺灵活性，存在一定的局限性，实际上不可能实现具有任何有效分辨率指标的滑块和触摸板。场效应实现方案在制造过程中常常需要进行成本高昂的开关校准。
与上述两种触摸感测技术相比，电容性触摸感测的灵活性要高得多，而且成本也低得多。其基本原理是：导电元件的接入使电容性开关上的充电电压发生改变。(最简单的电容性开关只包括两个相邻的导电板，如图1所示)。这种实测的电容变化量可被用来提供许多高度灵活的输入配置，例如从按钮、滑块和触摸板到面向安全应用的邻近探测器等。 
图1：简单的电容性开关
基于PSoC的CapSense方案
CapSense基于赛普拉斯的PSoC混合信号阵列技术。通过与特定客户(这些客户的应用需要一种灵活的单一IC架构，能以比模块型解决方案更低的成本、更高的灵活性方便地集成到现有系统中的)的密切合作，赛普拉斯的PSoC设计团队最终实现了独特的CapSense方案。
采用模块型解决方案时，客户不得不为模块供应商所做的模块重新设计支付费用。因此嵌入式产品工程师迫切需要一种新方法，以便能够通过提供用于快速实现独特解决方案的方法来获得主动权。这种具有独特可配置性的PSoC架构和新型直观软件工具共同实现了CapSense方案。
CY8C21x34和CY8C24794 PSoC器件均包括一个可由DAC来调节的电流源、比较器和复位开关的自动连接，以及一个独特的模拟多路复用总线。该模拟多路复用总线使得所有的被测通道都能由一个共用的比较器和电流源来运行。这就是说：CY8C21x34器件的每一个IO(共28个IO)以及CY8C24794器件中的48个IO均可被用于CapSense开关。相比之下，同类竞争解决方案则往往需要采用多路复用器和多个IC才能提供数量相当的开关。而PSoC的集成能力更加出色，而且节省了大量的BOM成本。
PSoC架构不仅具有优越的电容性触摸感测适应性，而且用于处理测量电容变化的技术也是最佳的，原因有二：它是一种公开的技术(不会受到昂贵的专利使用费的限制)，而且，它是采用易用型设计工具来实现的。
张弛振荡器技术
张弛振荡器技术是PSoC器件执行电容性触摸感测所采用的特定方法。图2所示为实现张弛振荡器所采取的PSoC器件配置方式。
图2：张弛振荡器方框图
张弛振荡器由一个电容性开关、一个充电电流源、一个比较器、一个复位开关、一个PWM和一个定时器组成。电容器上的电压进行线性充电，直至达到门限为止，触发比较器输出高电平。这将启动开关，随后使电容器上的电压复位至地(这样充电周期就能够再次启动)。其振荡波形如图3所示。
图3：张弛振荡器波形
该振荡的输出频率取决于电容值(Cp)和充电电流。如果一个额外的导电元件(比如手指)不在开关上，则Cp仅由寄生电容组成。如果手指存在，则Cp数值变大，这是因为除了寄生电容之外，它还包括导电元件所形成的附加电容。电容越大，充电时间越长，振荡频率也就越低。振荡的频率与振荡器输出所驱动的电容大小相对应。数字计数块提供了一个计数值(n)，该计数值可被用于确定电容性开关是否已被启动。
数字计数块可通过配置提供两种不同的测量方法：频率测量和周期测量。(周期测量法见图3)。顾名思义，这些测量方法的不同之处在于被测物理量。在周期测量法中，PWM的频率是固定的，而周期长度是由张弛振荡器来决定的。相反，频率测量技术具有一个固定的周期，测量的是PWM频率的变化(它是由张弛振荡器的频率决定的)。在这两种场合中，PWM输出都将启用一个定时器，该定时器的计数值(n)可与一个特定的门限相关联，以实现简单的接通/关断开关。或者，由于一个开关可具有高达1/256的内插分辨率，因此，定时器的计数(n)可被用来确定滑块或触摸板的位置。易用型PSoC Designer软件使得上述两种方法均能够轻松实现。
简易型功能块实现设计简化
PSoC器件是一款带板载8位控制器并具有高灵活性的复杂混合信号阵列。芯片的大部分是由模拟和数字块组成，这些模拟和数字块受控于可通过配置来实现板载外设(比如：PWM、定时器、计数器、ADC、可编程增益放大器以及许多其他的部件，均隶属于同一个器件)的寄存器。由于PSoC器件基于闪存，因此，这些功能块可进行50,000次的重复配置，甚至可以随意进行重构。
嵌入式产品工程师能够快速地逐个完成这些功能本身的配置，并在寄存器级上与PSoC器件互动；他们也可以通过采用PSoC Designer(可从www.cypress.com网站免费下载)用户模块进行功能块级器件配置控制的方法来节省大量的设计时间。PSoC Designer包括50多个用户模块库。在用户模块的选择过程中，赛普拉斯为工程师提供了简单的设计向导和参数表。
每个用户模块都自动对适合的PSoC寄存器进行配置，并提供一组应用编程接口(API)。这些API使工程师拥有了简化代码的能力，只需要两行代码即可实现一个PWM。
这种基于简易型功能块的设计标准也适用于电容性触摸感测。CSR用户模块(Capacitive Switch Relaxation Oscillator，电容性开关张弛振荡器)提供了下拉参数设置、GUI配置向导和详细的产品手册，用于解答与电路板布局和双工有关的问题，以造就效率更高的滑块或触摸板实现方案。图4显示出基于CSR GUI配置向导的一幅照片。
图4：CSR配置向导
除了用户模块之外，赛普拉斯还提供了一些相关的应用笔记(《AN2233a：电容性开关扫描》和《AN2292：PSoC CapSense的布局指南》)，可给予工程师更多的设计支持。两块演示电路板，再加上用户指南、支持固件和应用笔记，便构成了基本的CapSense设计(CY3220-FPD和CY3220-Slider)。为了向初次接触CapSense的设计师提供帮助，赛普拉斯还奉献了一款培训套件，该套件提供了有关CapSense实现方案的详细指导手册。它包括一块培训电路板(见图5)。培训套件、易用型设计工具、灵活且功能出众的架构，以及无专利测量技术的组合，使得PSoC CapSense成为所有电容性触摸感测设计的理想选择。
图5：培训电路板(CY3212 - CapSense)
(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(3/1/2006) |
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