更智能的触摸传感解决方案 - 文章

更智能的触摸传感解决方案

作者：飞思卡尔

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谈到触摸感应，无论是在MCU还是在传感器市场上，都是增长最快的份额之一。电容式的感应产品正在以非常快的速度进入触摸感应的整体技术市场。据预测显示，2011年的单年触摸感应半导体需求将达到30亿美元。到2011年仅手机应用中的触摸感应份额将增长到4亿件。这是一个非常可观的数字。

电容式触摸感应

应用最广的是电阻式的触摸感应方案，但是电容式的触摸感应方案拥有增长最快的份额。电容式触摸感应方案之所以是增长最快的方案的原因有一下几点：第一，在各种各样的便携式设备中，触摸感应的方案的应用会越来越广；第二，随着制造成本的降低，电容式的方案会越来越多，电容式的方案的可制造性也会越来越强，体现在无论是工业应用还是便携式产品的应用；第三，由IPOD效应引发的其他供应商大量跟进电容式触摸感应方案。

硬件方案和软件方案

触摸感应的方案一般用在触摸面板、触摸按键、触摸屏这类方面。医疗设备、工厂自动化、家用电器、汽车、手持通信设备、电脑外设等等都是飞思卡尔触摸感应方案包括专用芯片和软件方案适用的领域。

硬件方案

在选用芯片时，可以针对不用领域进行选择，比如消费级、工业级和汽车级的芯片等。

飞思卡尔的芯片硬件方案主要有MPR121：性能较高，1.71V至3.6V、12 个电极，键盘、I²C、3mmx3 mm 20QFN封装；MPR031 ：小型方案，1.71V至2.75V、2 或 3 个电极，键盘、I²C、2 mmx2 mm 8UDFN 封装；MPR083/084：基于MCU，1.8V至3.6V、8 个电极，转轮和键盘、I²C， 5 mmx5 mm 16QFN；MC33941 ：电场感应产品。

MPR121是飞思卡尔较新的专用的触摸传感器。它的明显优势是功耗比较低，可以到29µA，低电源电流为便携式应用提供强大的低功耗优势。

达12个电极的检测，每个电极和独立设置，也可以把12个电极在内部连接起来合成一个虚拟电极，进行接近检测，比如可以把手机拿起来贴近自己的脸。它可以同时具备按键检测和接近检测，工作电压在1.71V至3.6V，具有在MPR031基础之上第二代优化的内部算法，有独立的自动算法和独立校准和自动配置功能。使用起来非常简单，只需要一个外部元器件，一个滤波电容就可以工作了。不需要加其他的元器件就可以工作，使用方便简单。

作为飞思卡尔触电容式摸传感器芯片第二代产品MPR121，有智能、灵活、低功耗的优点，有独立的校准功能，可以简化触摸应用设计。随着采样率的降低，功耗也可进一步降低。智能方面表现在可以对产品自动校验维护。灵活性表现在用户使用上功能都是自动实现的，不需要设置，会根据电极的变化自动调整，比如环境温度湿度变化时，并且走线简单，使用起来方便灵活。

MPR121特性有：支持多达 12 个触摸电极，1.71 V 至 3.6 V 的工作电压，29μA 的平均电源电流。在 64ms 的响应时间内对所有 12 个电极进行监控。对每个电极进行连续的独立自动校准，每个电极有各自的触摸和释放跳变阈值，可提供回差以及各电极的独立性。可驱动多达 8 个 LED，或8 个任意组合的逻辑 I/O。具有3μA 的最大关断电流。带有终端口，可通知主机，比如有按键等，带有 IRQ 输出的 I²C 接口，可提示电极状态的变化3mm×3mm×0.6 mm 20 脚QFN封装，-40℃到+85℃的工业级工作温度范围。

与此同时，MPR121还有配套的 Sensor Toolbox 开发工具，如图2所示。包括MPR121 评估和开发板（一组四块板）；基于经过验证的 KITMPR03x 评估板；无铅封装的 DIP转换器；一组带有标准电极连接器的电极样本。套件中还有评估软件和下载。

软件方案

软件方案可以灵活应用，因为软件方案并不针对某一个特定的芯片，可以选用任一个MCU，只要是MCU适合这个应用，那这个软件方案就可以适合这个应用，所以是非常灵活的。

触摸感应软件套件特征有：1.8V至5.5V，64 个电极，键盘、滑条、转轮、矩阵与触摸板、I²C、LIN、CAN、SPI、USB、所有的 S08 封装选项。

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MPR121配套的Sensor Toolbox开发工具

目前使用的是触摸感应软件版本1.0，还会推出触摸感应软件版本2.0，3.0，4.0。还陆续会推出薄膜概念方案、电感式概念方案、电阻式触摸屏方案、多点触摸概念方案等。

由于是用MCU实现检测的，所以MCU的其他功能就能得到充分使用，并与感应检测同时协同工作，比如外部的LCD驱动、LED驱动、其他的外设，比如蜂鸣器、ADC和其他的传感器，都可以同时用来工作。

飞思卡尔触摸软件感应套件可将任何8位S08 MCU用作触摸传感器。TSS （Touch Sensing Software）能简化用户对接口的设计，让客户能够在 10 分钟内从零开始，开发出一个应用。TSS 能够让用户界面获得提升，可避免机械损耗和破坏的影响，增加产品的使用寿命，而且还让设计人员获得更大的灵活性，因为他们可以随意选择使用任意一款的飞思卡尔MCU。TSS 是免费的软件，带有低成本的开发工具，允许设计人员针对其应用选择最佳的 MCU 器件，并为他们多节省一个传感器 IC 的成本。

触摸感应软件套件解决方案的具体实现结构框图如图所示。可以选择不同的键盘类型、键盘数量和不同的MCU。若MCU的引脚有多余就可以利用来做电极。

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触摸感应软件套件解决方案结构框图

主要是用到MCU的内部的一些运算，用软件的方法实现检测，主要结构在软件算法，包括按键矩阵、转轮、滑条、键盘，有各种各样不同的算法来实现不同的按键类型检测。软件界面更加炫目，能以较低功耗实现接口方案。软件的解决方案面向应用，所以对API的接口设计充分，用户可以简单地应用到这些软件方案，与库文件进行接口。在方案中，考虑到各种按键的使用中情况，包括噪声抑制的算法，有内部的优化的缓存结构，支持64个电极任意排列的组合。可以在运行的同时开启或关闭任一个按键，并有自动重复等自动实现的算法，比如对粘滞按键、断路按键、乱按键的情况都有响应的自动算法处理。

与其他代码的共存能力较强，占用资源少，对其他的应用软件影响较小。针对软件的解决方案，也有相应的一些开发工具，有一些评估板提供。有这些软件和评估板工具，可以很快地连接使用。

问答选编

问：触摸传感器缺少传统机械按键的手感，容易造成误动作？这个问题怎么解决比较好？

答：在我们的软件方案中，有很多防止误触发和误检测的算法，用户也可以对一些参数进行配置，可以保证检测结果的灵敏性和正确度。

问：我下载了MPR121的Data Sheet 看了一下，发现MPR121的寄存器设置还是很丰富的。麻烦介绍一下各个寄存器的配置及配置过程中为匹配不同传感电极形状应注意的取值范围。

一般需要通过几个步骤进行寄存器配置才可以实现与电路的良好匹配，发挥MPR121最好的性能？

答：我们有MPR121的快速入门指南 (KITMPR121EVMQSG, URL: http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MPR121&fpsp=1&tab=Documentation_Tab)，用户第一步可以参考该文档进行快速配置。

问： S08系列的任一款微控制器都适用于该软件解决方案？是否可以理解为软件方案只适合键盘检测的触摸感应场合？

答：是的, 该软件方案适用于任意一款S08系列的微处理器。目前该软件除了支持触摸按键还支持slider、rotator（Wheel），适合各种触摸式人机交互场合，不局限于键盘检测。

问：该触摸感应软件的开发环境是什么样的？可以支持C语言吗？

答：采用飞思卡尔的Code Warrior开发环境，支持C语言编程。

问：使用TSS需要占用多少硬件资源和Flash空间？

答： TSS基本占用3.7kB的Falsh，105多个字节，具体根据你是否使用keypad，slider，rotator （解码器）和按键的数量多少来决定, 但是增加的空间不是很多, 具体你可以参考TSS的spec. 例如一个20个键盘大占用5k Flash空间，130B~240B RAM。

问：请问专家电容式触摸传感器和电感式触摸传感器有什么区别？哪种更有优势？

答：其实这两种方案并没有本质的区别。对于飞思卡尔的产品来说，电容式的方案检测的距离更远，它的电极可以有很长的走线；而电感式针对的是按键检测这种近距离的检测，它的电极和检测芯片通常是在同一块PCB板上。

问：使用双面板设计时，通常PCB的正面设计按键感应图形，在PCB背面进行大面积铺地（也可能会有接地的金属支撑件）。这里有个问题，如果选用比较薄的PCB（如厚度0.8mm），对电容感应灵敏度是否会有大的影响，如果有，应该如何避免？

答：大面积的敷铜地会吸收电容检测建立的电场，使得有效的触摸信号小而背景静态电容大，这又要看触摸电极和背铜的相对大小，以及触摸所导致的电容变化量有多大。一般电极有4mm×4mm的大小时0.8的PCB背铜影响已经不大了。

问：当每个电机达到各自的触摸和释放跳变阈值时，该MPR121触摸传感器是如何工作的？

答：MPR121有按键状态寄存器可以读取状态，同时状态寄存器任意比特位的变化会触发中断引脚输出。

问：MPR121自动校准系统如何运行的？校准精度？

答：飞思卡尔的触摸检测方案可以判断环境的缓慢变化和有触摸发生时的快速变化，而且可以根据环境的变化自动进行调整，保证检测的灵敏度和可靠性。

问： MPR031在抗干扰上有什么措施？

答：飞思卡尔的触摸检测方案有一些特殊的算法来保证有良好的抗干扰能力，例如它有内置的硬件和软件滤波，有回差和去抖的设置等等。

问：第二代的触摸传感器是否可以在潮湿的环境中使用？对于电磁干扰是否敏感？

答：第二代的触摸传感器可以在潮湿的环境中使用。MPR03x和MPR121可以在电磁干扰的环境下工作例如手机，根据具体设计环境在滤波和layout设计上要注意。

问： MPR121对于供电的要求能有哪些？纹波最好控制多大以下？

答：在VDD引脚供电时不用很讲究应为内部有稳压电路，在有VREG供电时，最好在100mV以下，此时输出有最大有2LSB～3LSB的变化。

问：当电容式接近感应方案系统中的供电电压偏低时，会否影响感应效果?

答：当电压不同时，电容充放电的速度不同，所以检测的阈值也不同。但只要电压保持一致，是不会影响检测效果的。

问：只能用PCB电极么？MPR121有透明电极的方案么？用于小屏的12分区触摸方案（智能家居的墙面终端，要求低成本）。

答：不是只能用PCB电极。只要能形成一定电容感应的材料都可以用。MPR121可以支持低分辨率的触摸屏例如12分区的ito。

问： MPR121在使用过程中，对覆盖电极上面的不同材料（如：塑胶、玻璃、亚克力）以及电极图形对触摸灵敏度的影响是怎么样的？另外，我们公司产品一般以4mm厚的LED背光源覆盖在PCB感应电极上，是否可以可靠检测？最大的感应距离大概会在什么区间？

答：电容检测的灵敏度和很多因数相关，比较明显的是电极形状的大小，覆盖材料的厚度，对4mm厚的亚克力覆盖材料电极一般为10mm×10mm，有相当好的信噪比，具体的尺寸和距离要根据实际设计来确定。

问：飞思卡尔更智能的触摸传感解决方案是否也有寿命限制？一般而言能有多长工作寿命？

答：只要芯片和PCB本身没坏，这种触摸检测就会一直有效。

问：请问对触摸电极的分布电容值有没有要求？

答：有的。分布电容太大，会导致电极的整体电容偏大，从而影响检测的精度。一般分布电容最好在100pF以下。

问：MPR121提供12个电极，是否只能支持12个按键，还是可以通过行列方式支持更多的按键？

答：MPR121有12个电极以及12个相应的触摸状态位报告，MCU可以简单的读取状态来处理按键。另外MPR121有4个可选的 I2C地址，所以一个系统中可以用4片MPR121，可以简单的扩张到48通道。因为MPR121在状态寄存器外还同时提供电容测量数据寄存器，如果用户有上层的软件可以进行比较高级的算法处理，这样也可以通过通道复用的行列方式扩展有效通道，比如用一片MPR121扩展为36通道（6×6），此PCB layout相对复杂。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/25/2010)


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