电容式触摸技术应用解决方案及设计注意事项

电容式触摸测试MCU灵活性

电容触摸技术被应用在广泛的电子产品从智能手机，冰箱和汽车。在许多应用中，电容式触摸传感器提供输入到一个专用的控制器芯片。微控制器直接参与当控制器集成为一个外围设备的MCU模具。

不管在MCU是否具有传感器/控制器电路集成在芯片上，或者如果触摸传感器信息是在一个专用设备，MCU必须处理，以达到令人满意的用户体验的若干由电容触摸输入创建的问题。这些包括延迟(用于用户及时响应)，准确性及能源消耗。能耗是特别重要的电池供电设备。

MCU供应商都提供了各种各样的电容式触摸解决方案，从专用外设与电容式触摸传感器的电池供电应用的超低功耗接口。在回顾的解决方案，然而，电容式触摸技术快速审查应该是有帮助的。

电容式触摸基础知识

一般目前特殊设计的问题和电容式触摸传感器传感器并没有什么不同。多的复杂性是由于这样的事实，即传感器的电场的分布特性使它们的行为“集总元件”近似不准确和误导。为了解决这些问题，半导体公司已经出版了许多应用笔记，基本上提供规则 - 如果遵循 - 将导致一个成功的设计。本文将针对基本的考虑;了解一些基础知识是必不可少的得到正确的方向开始的设计。

电容式触摸传感器都可以使用简单的空间参数进行大致分类：

零维传感器单点联系的回应。一个简单的按钮是最常见的实现。

一维传感器可以检测手指的移动沿单一，线性轴。滑块和滑轮是最流行的实现。

二维传感器可以检测手指的运动沿两个轴。触摸屏和触摸板都是很好的例子。

该技术是复杂得多，但是，一如既往，在设计最终用户系统中的第一个重要步骤是选择对应于应用程序的传感器类型。

最基本的电容式触控技术，一维和二维传感器依赖于表面电容。所述面板的一侧被涂覆有导电材料，而另一侧是绝缘材料。一个小的电压被施加到导电层以创建弱电场。当导电手指或触笔触摸表面，电容器瞬间产生，这改变了电场。

该传感器的控制器可以间接通过测量从四个角面板的电容的变化计算触摸的位置。的电容变化较大，越接近触摸是那个角落。表面电容技术具有相当分辨率低且受引起的电容耦合的误差。由于这些原因，它通常用于工业控制和亭。

投射电容式触摸

投射电容式触摸(PCT)技术更准确，灵活的比使用表面电容。该导电层被蚀刻在X-Y栅格。有两种类型的PCT传感器技术：自电容和互电容。

在自电容感测，在XY网格的行和列独立操作。位置由一个手指上的每个列或行的容性负载的相对位置来确定。创建一个强信号，但自电容感测不能准确地解析多于一个手指，这可能会导致“鬼影”或放错位置的位置感测。

互电容式传感器具有一个电容器在每行和每列的交叉点。当将电压施加到行或列，甚至使手指或导电触针的传感器的表面附近改变局部电场，降低了互电容。触摸位置可以非常精确地通过测量电容变化在网格上的每个单独的点来确定。互电容支持多点触控操作，这意味着，多个手指的位置可以准确地跟踪在同一时间。

PCT是销售点的需要，记录签名能力的设备一个受欢迎的传感选项。然而，PCT性能可以负面在面板表面导电污迹的影响。尘埃附着在面板也可以是一个问题。

MCU供应商设计产品系列正是为了处理传感器的刚刚讨论的类型。爱特梅尔，例如，开发的传感器控制器系列的按钮，滑块和滑轮。该产品可作为无论是IP集成在Atmel的AVR或使用该公司的QTouch软件库Atmel基于ARM的MCU内核的一个或作为特定应用的设备。 QTouch软件家族用于与自电容传感器的设计。其QMatrix感应控制器用于与互电容传感器。爱特梅尔使得可举家评估板。

德州仪器MSP430超值系列G2xx2 / 3 MCU的某些配置是专为电容式触摸应用而设计的。这些MCU包括电容式触摸感应IO的，使开发人员能够使用，无需外部元件电容触摸板直接连接。对于更复杂的应用，公司的MSP430F51x2设备，如MSP430F5152IDAR，包括，提供4纳秒的分辨率，它能使高精度触摸感测了高性能的计时器。

许多IC公司具有电容式触摸产品线。它们包括但不限于爱特梅尔，Cypress半导体公司，飞思卡尔半导体，Microchip的技术，恩智浦半导体，Silicon Labs公司和德州仪器。

设计注意事项

电容式触摸应用程序要求设计师要考虑的不仅仅是MCU。功率消耗是重要的，电池供电的设计，并经过多按钮被按下的时刻，并从系统的反应之间(等待时间)的时间也是非常重要的。

其他因素也必须在光应用程序的情况下使用的考虑。这包括环境光线的灵敏度(屏幕眩光)，成本，耐久性和最小/最大尺寸。所有这些标准的探索已经超出了本文的范围，但是2014年的分析由明尼苏达州立大学出版的论文集ASEE(ASSE-NWMSC2014-1C1)包括一个表(图1)，应该是设计师的帮助。电阻式触摸技术也被包括在分析中，因为它仍然是在广泛使用，虽然一般不作为能够作为电容性触摸。这些技术都排的规模为0至5，用5是“最好的”和0是“最差”的表现。 PCT拥有最好的收视率，但整体表面电容技术，应考虑对成本敏感的应用和产品，更大的屏幕。

图1：三种流行的触控技术比较功能。 (明尼苏达州立大学提供)

能源消耗

或缺乏互动 - - 传感器和MCU之间当连接一个MCU外部传感器，显著能量可以基本上由所述相互作用浪费。讽刺的是，这个问题涉及有关，因为目前大多数微控制器具有多种低功耗工作模式从“待机”，以“深度睡眠。”每一步深入到低功耗操作通常伴随着更多的开销唤醒所需的时间从功率模式。

当与触摸传感器输入处理，一个主要目标是实现及时的响应，但是这可能是不可能的，在较低的睡眠模式。该问题会更加严重，如果MCU有醒来常常以实现及时的响应，它实际上开始消耗更多的功率，这将在一个较高的活动状态。

Silicon Labs的方法来节约能源是它的低能量传感器接口(LESENSE)，它的设计以应对传感器输入而MCU仍处于深度睡眠模式。 LESENSE被集成到该公司的EFM32系列32位基于ARM的微控制器。在电池供电的触控应用，小壁虎家族往往提供了最好的选择。

LESENSE电路包括模拟比较器，一个DAC，并在32 kHz的频率运行的音序器模块。该引脚连接到比较和是否DAC的定序的控制被用来提供更精确的比较器的参考。比较器输出可以被计算和组合，使得CPU醒仅发生一组预定的条件下，触摸屏的诸如两个抽头内的某个时间窗口。这一切都是可能的，而MCU保持在深度睡眠模式。

LESENSE独立于MCU的工作，因为它配置与其他外设的工作，特别是公司的外设反射系统(PRS)。这使得设计人员能够创建状态机结构监控外部事件而无需CPU干预。

在电容性感测，它几乎总是测量电容的变化是不是进行的绝对测量更加重要的情况下。设计师通常通过定位之间的检测引脚接地引脚电容为RC振荡电路的一部分，监测这些变化。在该结构中，振荡频率取决于电容存在于检测引脚。其结果是，触摸开关可以简单地通过直接连接检测引脚到触摸板来实现。不需要其他外部元件。

该状态机的操作的简便性示于图2中的图的上，下两部分之间的差别是，不同的模拟输入产生在LESENSE状态机不同的结果，并且，反过来，叶中的MCU睡眠模式(上)或唤醒它(下)。

Silicon Labs公司LESENSE和PRS的图像

图2：电容触摸传感使用LESENSE和PRS一个简单的触摸开关。 (Silicon Labs公司提供)

结论

触摸感应输入已经成为一种主流技术在广泛的从简单的按钮，智能手机和平板电脑的应用范围。电容式触摸已成为由于其精度，耐用性和其他性能特性的主导技术。在许多应用中，一个MCU接口与容性触摸传感器，这往往挑战设计者提供及时响应人机接口和有效地管理能量消耗。有没有一个放之四海而皆准的所有电容式触摸应用的解决方案，但MCU供应商已经提供了一系列解决方案，一个是一定要适合任何应用程序。

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