- 電容式觸摸感應(yīng)器原理分析
- 電容式觸摸感應(yīng)器設(shè)計(jì)分析
- 電容式觸摸感應(yīng)器測(cè)量分析
觸摸感應(yīng)器已經(jīng)在業(yè)界廣泛使用很多年，但直到近期，隨著混合信號(hào)可編程設(shè)備的發(fā)展，電容式觸摸傳感器才在廣泛的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中成為傳統(tǒng)機(jī)械式開(kāi)關(guān)的替代品。
電容式感應(yīng)開(kāi)關(guān)是一個(gè)非常有吸引力的開(kāi)關(guān)，但它需要適當(dāng)?shù)奈锢沓叽纾约霸诘湫偷碾娙菔絺鞲衅髟O(shè)計(jì)中使用一個(gè)3毫米或更薄的薄膜疊層。隨著薄膜疊層厚度的增加。通過(guò)薄膜疊層來(lái)感應(yīng)手指會(huì)而變得越來(lái)越困難。換言之，薄膜疊層厚度的增加，調(diào)諧系統(tǒng)的處理過(guò)程就從”科學(xué)技術(shù)”轉(zhuǎn)到了”設(shè)計(jì)技巧”上了。為了演示如何使一個(gè)電容式傳感器突破當(dāng)今技術(shù)的限制，在此示例系統(tǒng)中使用的玻璃覆蓋的厚度定為10毫米。玻璃具有易于使用、容易獲得和透明的特點(diǎn)，你可以看到在玻璃下面的傳感器的電路焊盤(pán)。玻璃覆蓋層也在所謂的“白色家電”(家用電器)中直接應(yīng)用。
1．手指電容
任何電容傳感系統(tǒng)的核心都是一組與電場(chǎng)相互作用的導(dǎo)電體。人體的組織充滿(mǎn)導(dǎo)電電解質(zhì)，這些電解質(zhì)被人體表皮所覆蓋，人體表皮是有損耗的絕緣體。這種手指導(dǎo)電性使得電容式觸摸感應(yīng)成為可能。
一個(gè)簡(jiǎn)單的平行板電容器有兩個(gè)被介質(zhì)層分開(kāi)的導(dǎo)體。在這個(gè)系統(tǒng)的大部分能量都集中在兩個(gè)平行板塊之間，但還是會(huì)有部分能源溢出到電容器兩個(gè)板之外，與這種效應(yīng)相關(guān)的電場(chǎng)線被稱(chēng)為電場(chǎng)邊緣場(chǎng)。生產(chǎn)出實(shí)用的電容式傳感器面臨的挑戰(zhàn)之一就是要設(shè)計(jì)出一組印刷電路的走線。這種走線方法能使用戶(hù)獲取到一個(gè)有效的感應(yīng)區(qū)域。對(duì)于這種傳感器模式。平行板電容器并不是很好的選擇。
在邊緣電場(chǎng)附近放置一個(gè)手指會(huì)增加電容系統(tǒng)的導(dǎo)電表面面積。由手指引起的額外電荷存儲(chǔ)容量通常被稱(chēng)為手指電容(Cf)。沒(méi)有手指放在表面時(shí)傳感器的電容在本文中用Cp表示。它代表寄生電容。
有一個(gè)有關(guān)電容式傳感器常見(jiàn)的誤解是，為了能讓系統(tǒng)工作，手指需要與地連接。手指之所以可以被系統(tǒng)感覺(jué)，因?yàn)槭种甘菐щ姷模?dāng)手指浮動(dòng)或接地時(shí)。系統(tǒng)都能感受到。
2．傳感器的PCB布局
圖1顯示了印刷電路板(PCB)的頂視圖，在這個(gè)設(shè)計(jì)例子中，此PCB實(shí)現(xiàn)了其中的一個(gè)電容式傳感器按鈕。
該按鈕的直徑為10毫米，相當(dāng)于一個(gè)成年人指尖的平均尺寸。此演示電路的PCB板包括中心間距20毫米的4個(gè)上述設(shè)計(jì)方法的按鈕。如圖所示，頂層連接著接地面。該傳感器焊盤(pán)與接地面之間間隔著一個(gè)均勻的空隙。該間隙的大小是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。如果差距設(shè)置太小，太多的場(chǎng)能量會(huì)直接轉(zhuǎn)到地層。如果設(shè)置過(guò)大，場(chǎng)能會(huì)直接穿過(guò)疊層，而失去控制。0.5毫米大小的間隙對(duì)于引導(dǎo)邊緣場(chǎng)通過(guò)10mm玻璃覆蓋層是最佳間距。
圖2顯示了同一種樣感應(yīng)模式的一個(gè)截面圖。
在PCB上通過(guò)一個(gè)過(guò)孔將感應(yīng)器焊盤(pán)連接到電路板底層的一條走線上，如圖2所示。當(dāng)電場(chǎng)嘗試著尋找回地的最短路徑時(shí)，介電常數(shù)εr會(huì)影響到材料中電場(chǎng)能量的緊密程度。標(biāo)準(zhǔn)窗口玻璃的介電常數(shù)大約為8，而PCB的FR4材料介電常數(shù)大約為4。通常使用在白色家電商品上的高硬度玻璃的介電常數(shù)則約為5。在這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例中，使用的是標(biāo)準(zhǔn)窗戶(hù)玻璃。要注意的是，玻璃板是用3M公司的不導(dǎo)電黏合膠帶468-MP安裝在電路板上的。
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3．電容式傳感101
一個(gè)電容式傳感系統(tǒng)的基本組成元件，是一個(gè)可編程電流源，一個(gè)精確的模擬比較電路，以及一個(gè)模擬多路復(fù)用總線。該總線可通過(guò)一個(gè)電容式傳感器陣列進(jìn)行排序。本文中所介紹的系統(tǒng)中的弛張振蕩器作為電容傳感器。這個(gè)振蕩器的簡(jiǎn)化電路圖如圖3所示。
該比較器的輸出被作為一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)電路的時(shí)鐘輸入信號(hào)，它負(fù)責(zé)選通一個(gè)頻率為24兆赫茲的16位計(jì)數(shù)器。手指接觸傳感器時(shí)會(huì)增加電容，從而增加計(jì)數(shù)器的總值。這就是一個(gè)手指如何被感覺(jué)到方式。這個(gè)系統(tǒng)的典型波形如圖4所示
圖5中顯示了實(shí)現(xiàn)這一項(xiàng)目的電路原理圖。
為實(shí)現(xiàn)電容式傳感和串行通信，電路設(shè)計(jì)中采用了賽普拉斯公司的CY8C21x34系列的PSoC芯片，其中包含了一組模擬和數(shù)字功能模塊，它們由存儲(chǔ)在板載閃存中的固件來(lái)設(shè)置。第二個(gè)芯片處理RS232電平移位，以提供與一臺(tái)主機(jī)的通信鏈路，使電容式傳感數(shù)據(jù)記錄通過(guò)串口以115200波特率傳輸給主機(jī)。四個(gè)電容傳感按鍵的引腳分配顯示在圖5中的表中。通過(guò)ISSP接口和編程引腳SCL、SDA對(duì)PSoC進(jìn)行編程。ISSP接口中包含電源和地，而PC主機(jī)連接到電容式傳感電路板通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的DB9連接器。
4．調(diào)整傳感器
每次調(diào)用上列程序中的調(diào)用函數(shù)CSR_1_Start()時(shí)，均對(duì)Button1的電容進(jìn)行測(cè)量。原始計(jì)數(shù)值被存儲(chǔ)于CSR_1_iaSwResult[]陣列中。用戶(hù)模塊還跟蹤一個(gè)用于原始計(jì)數(shù)的基線。每個(gè)按鍵的基線值均為一個(gè)由軟件中的IIR濾波器進(jìn)行周期性計(jì)算的平均原始計(jì)數(shù)值。IIR濾波器的更新速率是可編程的。基線使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)于由于溫度和其它環(huán)境影響而引起的系統(tǒng)中的漂移。
開(kāi)關(guān)差分陣列CSR_1_iaSwDiff[]包含消除了基線偏移的原始計(jì)數(shù)值。利用開(kāi)關(guān)差值來(lái)決定按鍵目前的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。這可使系統(tǒng)的性能保持恒定，即便在基線有可能隨著時(shí)間的推移而發(fā)生漂移的情況下也是如此。
圖6顯示了固件中實(shí)現(xiàn)的差分計(jì)數(shù)與按鍵狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
該轉(zhuǎn)移函數(shù)中的遲滯提供了開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的干凈利落的轉(zhuǎn)換，即使計(jì)數(shù)是有噪聲的情況下也不例外。這也為按鍵提供了一種反跳功能。低門(mén)限被稱(chēng)為“噪聲門(mén)限”，而高門(mén)限則被稱(chēng)為“手指門(mén)限”。門(mén)限水平的設(shè)定決定了系統(tǒng)的性能。當(dāng)覆蓋層非常厚時(shí)，信噪比很低。在此類(lèi)系統(tǒng)中設(shè)定門(mén)限水平是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，而這恰好是電容式傳感設(shè)計(jì)技巧的一部分。
圖7顯示了一個(gè)持續(xù)時(shí)間為3秒的按鍵觸壓操作的理想原始計(jì)數(shù)波形。
同時(shí)還給出了門(mén)限值。噪聲門(mén)限被設(shè)定的計(jì)數(shù)值為10，而手指門(mén)限設(shè)定的計(jì)數(shù)值則為60。實(shí)際上，在實(shí)際計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)中始終存在噪聲分量，圖中并未顯示，以便能清晰地顯示門(mén)限水平。
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部分調(diào)整過(guò)程還包括選擇電流源DAC的電平以及設(shè)置用于計(jì)數(shù)累加的振蕩器周期數(shù)。在固件中，函數(shù)CSR_1_SetDacCurrent(200,0)把電流源設(shè)定在其低電流范圍內(nèi)，數(shù)值為200(最高255)，大約對(duì)應(yīng)于14μA。函數(shù)CSR_1_SetScanSpeed(255)把振蕩器周期數(shù)設(shè)定為253(255－2)。原始計(jì)數(shù)和差分計(jì)數(shù)的分析表明：該系統(tǒng)的寄生引線電容CP約為15pF而手指電容CF約為0.5pF。可見(jiàn)，手指電容使總電容產(chǎn)生了約3%的變化。對(duì)于每個(gè)按鍵，每個(gè)原始計(jì)數(shù)值的采集所需要的時(shí)間僅為500μs。
測(cè)量性能
電容式傳感系統(tǒng)的性能測(cè)量結(jié)果示于圖8中。
通過(guò)一個(gè)終端仿真程序，在主PC上獲得差分計(jì)數(shù)，然后借助電子制表軟件加以繪制。將手指放置在10mm厚的玻璃覆蓋層上，并持續(xù)3秒的時(shí)間。按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)被疊加在原始計(jì)數(shù)上。按鍵在這兩種狀態(tài)之間干凈利落地轉(zhuǎn)換，即使是由于通過(guò)厚玻璃進(jìn)行檢測(cè)而使原始計(jì)數(shù)信號(hào)中具有較大的噪聲時(shí)也是如此。請(qǐng)注意手指和按鍵門(mén)限隨著基線的漂移而進(jìn)行周期性調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到手指的觸壓動(dòng)作時(shí)，基線值將鎖定，直到手指移開(kāi)為止。
圖9顯示了兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換處的局部細(xì)節(jié)圖。
在圖9a中，按鍵初始狀態(tài)為斷(OFF)狀態(tài)。超過(guò)手指門(mén)限的差分計(jì)數(shù)的第一個(gè)采樣把按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換至通(ON)狀態(tài)。在圖9b中，低于噪聲門(mén)限的差分計(jì)數(shù)的第一個(gè)采樣將按鍵轉(zhuǎn)換至斷狀態(tài)。
與機(jī)械式開(kāi)關(guān)相比，基于電容的觸摸傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是耐用性好，不易損壞，可以長(zhǎng)期使用。混合信號(hào)技術(shù)的近期發(fā)展，不僅使得觸摸式傳感器的成本在各種消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中降到了具有成本效益的水平，而且還提高了檢測(cè)電路的靈敏度和可靠性(因?yàn)樵黾恿烁采w層的厚度和耐用性)。利用本文介紹的設(shè)計(jì)方法，說(shuō)明通過(guò)一個(gè)10mm的玻璃來(lái)檢測(cè)手指的按鍵觸壓是可能的，并利用基于噪聲門(mén)限和手指門(mén)限的反跳法，實(shí)現(xiàn)了按鍵開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的干凈利落的轉(zhuǎn)換，從而使電容式觸摸傳感器成為機(jī)械式開(kāi)關(guān)元件的一種實(shí)用型替代方案。
