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电容感应系统设计的常见挑战及其简化途径 |
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作者：赛普拉斯 Shruti H, Subbarao Lanka |
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在许多消费电子产品及白色家电应用中，新兴的电容感应按钮正作为一个流行的用户界面替代机械开关。然而，电容感应界面设计也会带来挑战，在新产品研发、生产及质量控制等方面都可能会出现问题。例如，不同线路板的电容感应按钮寄生电容(CP )可能不同，环境变化（例如温度及湿度）也可能会改变CP。系统不同噪声也不相同。用户界面(UI)设计的另一个常见问题是设计的可移植性。例如，如果电视机前面板的用户界面设计发生了变化，设计将要重新调整以适应布局布线、传感器尺寸等的变化，繁杂的调试过程增加了人力成本和时间，还会拖延产品上市时间。本文将重点讨论设计电容感应界面设计所面临的问题，以及开发人员如何克服这些问题，设计出可靠的方便的产品。
电容感应基础
图1显示了电容传感器线路板的外观。
图1:电容感应线路板横截面
要感应到手指的存在，电容感应系统首先要知道没有手指时的传感器电容(见图2a)。称为寄生电容(Cp)。当手指接近（或接触）传感器时(见图2b)，传感器电容值将会变化，这就产生了和Cp并联的另一个电容，称为手指电容(Cf)。有手指存在时，总传感器电容(Cx)如方程1所示：
CX= CP+ CF– 方程1
图2(a)：没有手指时的传感器电容
图2(b)：手指存在时的传感器电容
CF带来的电容变化就用来检测手指触摸。
电容测量系统
电子系统通过转换电容为数字值来测量传感器电容。图3显示了电容感应预处理电路的框图。(注:可以有多种方法来测量电容)。
该系统在系统前端采用了开关电容电路，将传感器电容等效成电阻，如方程2和图4所示。Sigma-Delta调制器将电阻上测量到的电流转换成数字计数。当手指在传感器上时，电容增加，等效电阻减少。这导致通过电阻的电流增加，从而提高数字计数。
这种方法需要一个外部组件，CMOD。这是一个综合电容，它通过一个恒流源(IDAC)充电，并通过等效电阻放电。
REQ = 1/FSCX –方程2
这里FS是开关电容模块的开关频率。
电流测量通过比较器来完成，其输出码流(如图3所示)在一个固定的时间输入计数器。该计数值(数字值)给出了CX大小的量级。原始计数就可以作为测量值。时间的长短，计数器计数时间决定响应时间。
计数器的固定时间称为扫描时间。原始计数和参考值进行比较，决定传感器是开还是关；这个参考值叫做基线。当有手指触摸时，原始计数增加。为了确保传感器真的处于开状态，原始计数的增长必须大于一个阈值，称为手指门限。如果原始计数变化低于此值，那么认为是噪声，称为噪声门限(参阅图5)。
图5:电容传感器各参数图示
既然我们已经了解电容感应基本原理，让我们讨论一下为什么电容感应实现会面临挑战以及面临何种挑战。
电容感应和机械按钮用户界面比较
电容感应为用户界面带来了美观、易用的触摸感应功能。电容传感器已取代了数十亿机械按钮。电容感应不仅使前面板看起来光滑美观，还能消除机械按钮易损易坏的问题。在电视机/显示器应用中，电容感应已被广泛采纳，因为它减低了加工成本并增加了美观性。
图6: 电视机前面板的机械按钮和电容感应按钮
下表列出了机械按钮的一些相问题及电容感应按钮相对于机械开关的优势。
设计流程 –电容感应用户界面
图7显示了电容感应实现的典型设计流程。
图7:电容感应界面设计流程
固件(F/W)开发，调试，生产微调是电容感应用户界面设计周期的关键步骤。
1.F / W开发:
在更广泛的意义上说，固件实现了具体应用功能，例如按钮数量，额外功能（例如PWM、ADC、DAC等）。从电容感应角度来看，固件的工作是扫描传感器(即测量传感器电容)以及其他相关功能，如处理传感器开/关状态反馈。系统实施只有电容感应，具备可配置的器件。通过串行通信协议(如I2C)可以为具体传感器功能配置寄存器，不需要开发固件。可以使用灵活的可编程器件实现电容感应，以满足不同用户需求以及完成传感器扫描和处理。
1.调试:
调试是确定电容感应参数最优值的过程，其确保在各种环境条件和不同机械结构界面下都可以有鲁棒性和可靠的性能。这就需要彻底理解电容感应系统在不同条件下的表现。
调试时需要考虑的关键点
a. 传感器信噪比(SNR)
b. 传感器扫描时间
c. 手指门限设置
a.传感器信噪比:
调试电容感应系统的一个主要目标是，可靠地判断传感器有无触摸。在信噪比计算中，信号是指当手指放在传感器上时传感器响应的变化。
噪声是指当手指不存在时传感器响应的峰峰值变化。对于可靠的电容感应性能，信号强度需要显著大于噪声；一般建议是，信号应至少是噪声的5倍，推荐最小信噪比为5:1。
图8:信号和噪声
b.传感器扫描时间
传感器扫描时间是计数器计数的时间，如前面章节电容测量系统所描述。传感器扫描时间短会导致较低的信噪比。更长的扫描时间会导致响应时间延迟以及更高的功耗。因此，根据传感器寄生电容(CP )，需要优化传感器扫描时间，从而获得合适的信噪比、响应时间、功率消耗。
c.手指门限设置
手指门限设置用来指示手指触摸。这个手指门限设置要非常小心，要避免因为噪声和气候变化引发的误触摸。一般建议是，手指门限设置为信号强度的75%，从而达到可靠检测，如图5所示。
图9:电容感应设计典型调试流程
从图9可以看出，调试是一个费时，繁杂，和重复的过程，开发时每当PCB或覆盖物发生变化都必须重复操作。
1。生产微调：
电容感应性能取决于电容传感器的物理特性和环境条件。传感器的寄生电容会因为供应商变化，工艺变化，或环境条件（如湿度或温度）变化而变化。这就需要量产时通过统计分析样品进行微调，从而提高合格率。就象我们所看到的，在设计发布用于大规模生产之前有许多步骤和问题需要解决。
当为某一特定应用（例如电视机或显示器）设计电容感应系统时，我们会遇到的典型挑战好是PCB供应商的变化和噪声对电容感应性能的影响，经常会导致需要重新调试。有些方法可以用来应对这种挑战并减少调试工作量:
1．自整试
2．布局考虑
1．自动调试
在这个领域里有一个创新方法，通过监控系统噪声和环境条件变化，设备动态调试本身(自动监控和设置参数)。该方法也可以使设备根据环境条件和系统机械设计在上电时初始化所有的电容感应相关参数。
a. 基线
影响电容感应测量的常见环境变化是温度和湿度。温度/湿度漂移会引起电容测量电路元件/参数的变化，也会影响CP 和CF ，造成原始计数的变化。典型的与温度有关的原始计数变化如图10所示。
图10:随温度变化的原始计数
如果用一个恒定的参考来检测按钮的触摸，温度/湿度漂移可能会导致虚假的按钮按下或没有检测到按钮按下。
基线补偿是自动调试序列的一部分，自动调整参考值(基线)和噪声门限，使低频噪声保持在门限以下，以避免误触发。
b. 最优参数设置:
根据传感器的物理性能和环境噪声、传感器参数应该在上电时设置为最优值，使电容感应系统工作可靠。
如上所述，为了传感器可靠工作，关键是要保持信噪比高于5:1。首先，自动调试算法需要做的就是计算和优化具体设备的参数值，信噪比保持在高于5:1。设置最佳扫描速度，确保不增加功率消耗和响应时间。上电时设置最佳噪声门限和手指门限。
让我们用最常见的场景来了解自动调试的好处
1. PCB制程变化
一个线路板制造商可能会有多个生产场所，生产过程会稍有不同，这就使不同线路板的传感器寄生电容发生改变。如果合格率不高就要重新调试，因为这样的变化太大了。例如，在图11中，# 4板上的一个传感器没有响应到手指存在，这是由于PCB制程的变化这个传感器具有很高的Cp。
图11:不同制程线路板的性能
II．PCB供应商的改变:
为了防止制造成本增加和加工能力不足，OEM通常会认证很多PCB / FPC制造来源。每一个线路板制造商会使用不同的PCB材料，那么传感器会有不同的寄生电容，这会导致较低的合格率。例如，如果为供应商X的线路板做了最后调试，同样的参数可能不会完全适用于供应商Y的线路板，从而导致较低的合格率。
在图12中，3号板和4号板的传感器没有响应到手指存在，这是由于PCB制造商不同，传感器具有较高的CP。
自动调试算法可以在上电时自动确定传感器寄生电容，可以解决上述两种问题。
III．覆盖物介电常数/厚度的改变:
灵敏度和覆盖物的介电常数成正比的，和其厚度成反比。这意味着如果一个为2毫米玻璃(介电常数(є)8.0)设计调试好了，要改变为2毫米塑料(介电常数(є)2.8)，那么就需要重调。同样，如果一个3毫米塑料覆盖物改变为3.5毫米，也必须重调一遍。
图13:不同覆盖物厚度的线路板性能
覆盖物厚度发生变化时自动调试算法会调整灵敏度，因此，即使覆盖物厚度有变化时传感器也能如预期的那样工作。
一个可靠的自动调试技术的关键是，要在运行期间有能力做好所有的自动调试功能，并自动设定参数，确保稳定的信噪比大于5:1。
设计便易是电视机/显示器应用的另一个常见需求，他们需要考虑把设计移植到相似需求的不同应用，他们不希望重新调试。
在电视机/显示器应用中，我们经常需要把一个设计用于不同型号，不同屏幕尺寸。因此，触摸控制面板位置可能会有所不同，这也可能导致按钮位置的改变。当按钮位置有改变时，走线长度有可能会有所不同。两种不同的型号也可能有不同大小的按钮。此外，不同型号的电视机/显示器要求的厚度可能不同。所有这些差异都会导致寄生电容变化。
自动调试有能力处理寄生电容和覆盖物厚度的变化，可以实现设计的无缝移植。
图14:不同型号的电视机/显示器
C．噪声抑制- 噪声抑制水平提高:
噪声是电子信号的随机波动。电子设备噪声变化极大，因为它可能由几个不同的影响和来源产生。噪声也可以描述为来自自然因素和人为因素的不受欢迎的或带来干扰的能量总和。
多重调试努力弥补噪声是必要的，尤其是如果噪声水平在噪声门限和手指门限之间时，或着如果噪声水平一直变化。自动调试必须确定系统中噪声水平，动态调整相应的噪声和手指门限。
1．布局布线
另一个需要考虑的因素是布局布线。优化布局布线是至关重要的，可以减少由于多种系统噪声干扰带来的调试工作。
另一个避免噪声进入电容感应系统的方法是硬件方面。让我们了解一下在电视机/显示器应用中，哪种类型的噪声会影响电容感应系统，以及它们如何在布局布线时避免。
电视机/显示器的电容式系统中主要有以下几种类型噪声（由系统周边电路引起的）。
a. 开关电源噪声或传导干扰
b .LCD逆变器噪声
c. 辐射干扰
a) 开关电源噪声或传导干扰
传导噪声通常是由高频开关电路通过电力线和通讯线进入系统的。以下指南有助于防止传导噪声进入电容感应系统:
提供铺地层和电源层，减少电流回路。
如果电容感应控制器PCB板通过电缆连接到电源，尽量降低电缆长度，或使用屏蔽电缆。
在电源或通信线旁放置一个磁珠，以减少高频噪声。
b) LCD逆变器噪声：
在电视机/显示器应用中，必须小心谨慎，防止逆变器噪声影响电容感应系统。LCD逆变器可能会给电容感应系统引入大量噪声，信噪比有可能大幅下降。
减少LCD逆变器噪声的简单技术是把输入噪声源和电容感应分开，如图15所示。由于产品尺寸的限制，噪声源和电容感应电路可能只能分开几英寸。然而，这个小分离，相比噪声源靠近电容感应电路来说，也能使传感器性能比较好。
图15:分离噪声源和电容感应接口
c) 辐射干扰
辐射可能会影响系统测量，并潜在影响电容感应处理器核的操作。这种干扰是在PCB进入电容感应芯片的，可能通过传感器布线，或通过其它数字和模拟输入。
以下方法可以用来抑制对电容感应系统的辐射干扰:
• 一般情况下，在 PCB上提供铺地层有助于减少射频噪声到电容感应控制器。
• 每一个电容感应控制器引脚都有一些寄生电容，CP 会和它并联。添加一个外部电阻形成RC滤波器，可以降低射频噪声幅值。串联电阻应放置在电容感应控制器引脚10毫米范围内。
图16:RC滤波器
• 长距离布线会带来更多噪声。长距离布线也会增加CP。因此布线长度应该尽可能短。
在这篇文章中，我们介绍了电容感应系统的工作原理，为什么电容传感器如此快速地替代机械按钮，如何简化电容感应系统设计。我们就电容感应用户界面设计的最常见挑战，以及解决这些问题的技术进行了阐述。使用文中讲到的自动调试技术，我们可以建立一个可靠的电容感应系统，并能显著降低设计的复杂性。自动调试本身具有很多特点，两个主要标准--运行时补偿(噪声和环境)和自动参数设置—是关键，可以简化设计，从而减少电容感应系统产品上市时间。
作者简介:
Subbarao Lanka 就职于赛普拉斯半导体，资深应用工程师，自2007年一直致力于电容感应应用。他的职责是：新电容感应控制器技术需求，开发新的电容感应控制器产品，指导系统分析，为客户调试技术问题，以及技术文档撰写。联系方式：sgup@cypress.com 。
Shruti H 就职于赛普拉斯半导体，应用工程师，自2009年一直致力于电容感应应用。她的职责是：为客户调试技术问题，新电容感应控制器技术需求，开发新的电容感应控制器产品，指导系统分析，以及技术文档撰写。联系方式：sshh@cypress.com.
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(2/17/2012) |
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