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基于赛元SCT8310A触控芯片的滑轮滑条设计
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赛元SCT8310A触控芯片是特别为电磁炉、抽油烟机、消毒柜、电饭煲、电压力锅、面包机等各种小家电和卫浴、灯具等工业控制和消费应用领域而设计的电容式触摸感应检测的方案,主要实现了触摸按键,触摸滑轮和滑条。采用了全新芯片硬件架构,内置了电容检测模块、振荡电路、复位电路,使得应用趋于零外围,以满足产品小型化和成本低廉化的市场需求。

SCT8310A触控芯片技术特点

提供在任何触摸感应器件中实现非机械按钮、滑条和滑轮。这些集成电路增强了用户在卓越精确性和可靠性方面的体验,支持最多4个按钮配置和一组滑轮、一组滑条。每个按钮的成本非常低。此方案带有通用的I2C接口,可以将按钮、滑条和滑轮嵌入到其他微控制器中。

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主要特点如下:

a. 10个高精度电容检测输入通道
b. 支持4个独立按键,一组滑轮,一组滑条
c. 按键通道可以自由配置
d. 自动校准和漂移补偿
e. 灵敏度及邻键对比判断技术
f. 最精简的外围电路, 支持整机产品小型化
g. 具有很强的抗干扰能力
h. 可通过EMC测试
i. 感应能力可穿透10mm的玻璃覆盖层

SCT8310A电容触摸按键基本原理

两个相邻的金属导体间会产生电容,在按键位置,采用PCB上的铜箔做成按键形状,就形成一个电容性的开关。当手指触摸时会使电容性开关上的电容发生改变,会比没按键时的电容值增大。通过对该电容持续充放电和检测充电电压的改变,即能检测到电容的变化,从而判断是否有手指触摸。

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感应电容

电容触摸按键的基本形式是一对相邻的平行板,如上图2-1所示。如果将手指置于靠近两个平行板的位置,那么就会在手指和一个电极之间产生电容,与此类似,手指和另一个电极之间也会存在电容。

电容按键组的常见形式为:一组电容中每个电容的一侧都接地。这样,工作电容只有一侧可存取;按键是接地的可变电容。手指的存在加大了按键接地的电容,决定按键是否激活取决于电容测量是否发生了改变。

电容触摸控制的类型较多,从其原理上来看,有电荷转移型、张弛震荡型等。

电荷转移:

手指触摸所产生的传感器电容变化,导致传感器电容和基准电容之间的电荷转移发生变化;

这些逐量增加的电荷包在基准电容达到基准电压后会停止转移,这表示存在触摸。

张驰振荡器:

使用传感器电容直接设置其频率;

追踪振荡器频率的更改可以检测出传感器上因手指触碰而产生的电容;

如果进行手指触碰,则传感器电容会上升,而振荡器频率会下降。

SCT8310A触控滑轮与滑条设计理念

触摸滑条的基本功能是用来检测手指在一维方向上的滑动位置。可以使用两种方法来实现触摸滑条:触摸状态滑条和比例计量滑条。

1,触摸状态滑条:把触摸按键按顺序紧密排列在一起,即可以设计成触摸滑条。当检测到传感器通道处于开启状态时,就能确定手指在触摸滑条的哪个位置了。如图

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滑动条传感器之间的间隙值建议为0.5mm。两个相邻传感电极之间的间隙不要超过0.75mm。这是为了确保当手指正好位于间隙内时,两个传感器通道能够同时开启。然而,如果需要数量较多的位置,该方法则会因为需要过多传感器通道而无法实施。

2,使用比例计量滑动条。该方法不是通过检测每个传感通道上的触摸状态来实现,而是根据每个传感器通道所测得的确切电容变化来确定手指的位置。当测得每个传感通道的确切电容变化后,通过进行比例计算来确定手指的确切位置。上述位置中的手指触摸会导致三个传感通道电极的电容增加。由于手指覆盖面积的不同,每个传感器所增加的电容值也不相同。然后,对传感器的原始电容数据进行处理,就可以获得手指在滑动条上的绝对位置。传感通道的数量视机型结构确定,若滑条的总长度小于50mm建议用四通道来设计滑条,滑条总长度每增加10mm至20mm建议增加一个滑条通道。如下图。

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触摸滑轮

同滑条一样,触摸滑轮也是基于触摸状态和比例计量方法实现的。应用触摸状态方法的旋转器通过检查每个传感通道的状态来确定手指的位置。应用比例计量方法的旋转器,通过测量由于手指触摸而导致的各个传感通道增加的确切电容来确定手指的位置。手指在旋转器上滚动时,会导致几个传感通道的电容增大。然后,通过计算这些传感通道所增加的电容值,可以计算得出手指触摸的确切位置。触摸旋转器对于手指触摸检测的稳定性取决于要求的分辨率和传感通道的数量。对于高分辨率的触摸旋转器来说,可能需要便用更多的传感通道,而不—定像图中所示的那样仅使用了三个传感通道。

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SCT8310A触控滑轮与滑条设计方法

SCT8310A触控芯片,此方案采用比例计量算法,实现了4个触摸按键, 一组触摸滑条,一组触摸滑轮,滑轮和滑条最大可以输出255级分辨率的数据。此外还包括I/O扩展以及I2C 两线串行接口,可以将按钮、滑条和滑轮嵌入到其他微控制器中。

框架图如下:

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判键算法基本工作原理如下

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为了更加清晰的描述该算法,使算法的目的和特性更加易懂,将从整个系统的角度出发,进一步做充分的论证。

采取电荷转移方式,其外围电路简单,若干触摸按键和基准电容1个即可,该类IC又具有非常优异的抗干扰性能和抗EMI能力,非常适合电磁炉、抽油烟机、消毒柜、电饭煲、电压力锅、面包机等各种小家电和卫浴、灯具等工业控制和消费领域。

所谓电荷转移即通过开关电容方式,使该电容上的电荷逐渐释放到一个更大的采样电容的过程。

如下图(TouchKey电路架构图)中TKAINS[3:0]的2个开关与感应电容Cxn构成了开关电容,采样电容即为Cadj。由于PCB的layout差异,每个触摸按键构成的开关电容可能不相同,即感应电容不相同,因此,单独通道可设才能有效的解决整体的灵敏度一致性。这也是该算法的特性之一。

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Touch Key电路架构图

该ToucKey基于电容的充放电过程,完成电荷转移,当手指触摸时,基准电容充电时间的计数值会相应减少,通过这种区别,再配合比例算法,达到判断按键的目的,以下是TouchKey的原理。

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实现过程如下:

1、 稳压电源(或VDD)按CTIME设置的频率向外部的分布电容Cxn和基准电容Cadj充放电;
2、 Cadj电压会逐步上升至比较器的翻转电压后,经过滤波电路后给出信号;
3、 TKCNT会记录基准电容充电时间;
4、 如果有手触摸到按键时,Cxn的值会增加,则Cadj电压上升的时间会减小,也就是TKCNT的值会减小;

利用绝对值算法,完成对各个通道的触摸按键判断。

本文小结:

赛元SCT8310A触控芯片,触摸的状态报告是直接的触摸按键的开关值,滑轮和滑条的触摸定位值,可通过I2C 接口与其他微处理器结合, 相比微触摸软件库方案,这种集成到产品设计中所需的工作量比较小,产品上市时间快,为用户提供了一种随时可用的电容性触摸解决方案。
文章内容仅供参考 (投稿) (8/18/2014)
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