基于电容的MCU 触控感应方案

　　基于触摸的界面已经从高端消费产品的特殊功能转变为消费者对任何产品（甚至是廉价电器）都需要的通用功能。对设计人员来说，好消息是基于电容的触摸感应需要最简单的传感器硬件——蚀刻在印刷电路板 PCB 上的电极。但是，正确设计触摸功能需要在微控制器 （MCU） 上使用相对复杂的软件和/或一些专用硬件加速，具体取决于应用程序和按键数量。尽管如此，电容式触控界面的制造成本仍然很低，而且触控面板非常可靠，即使在恶劣的环境中也是如此。因此，触摸界面的趋势将不可避免地继续下去。

　　触摸板复杂性和 MCU

　　几乎任何 MCU 都可以处理基本的触摸感应。例如，Microchip支持多种触控技术，但电容分压器 （CVD） 方案适用于公司所有集成了 A/D 转换器的 MCU 产品组合，包括 6 引脚PIC10产品系列的成员。CVD 技术依赖 A/D 转换器的采样和保持电容器作为参考，转换器通过感应电压电平来检测触摸。

　　8 位 MCU 细分市场的低端设备可能只能处理几个按键。更高端的 8 位 MCU 可以处理更多的按键。据 Microchip 称，PIC168 位系列是公司 8 位产品组合的中档产品，包括多达 30 个 A/D 转换器通道和一个基于 CVD 触摸方案的电容式触摸系统。它还需要每个电极一个通道。

　　但 A/D 通道数不一定是限制设计人员可以使用任何 MCU 实现的按键数量的设计方面。根据 Microchip 的说法，由于每个传感器需要存储的数据量，内存会限制键的数量。

　　Microchip 免费向客户提供触控软件，包括源代码。该软件执行多种功能以确保准确性，包括过滤 60 Hz 噪声和高频噪声，以及针对温度和湿度等环境因素调整参数。当然，MCU 也会不断地扫描将通道复用到 A/D 转换器的按键。

　　根据 Microchip 的说法，典型的基于 PIC16 的实现可能支持 22 个按键，需要大约 80% 的 MCU 处理时间来运行触摸界面并提供 100 到 200 毫秒范围内的最大响应时间。据 Microchip 称，客户通常会实施 4 到 10 个传感器。

　　充电时间测量单元

　　Microchip 使用称为充电时间测量单元 （CTMU） 的模拟外设在某些 MCU 上支持不同的触摸感应方法。CTMU 并非专为触控而开发，但可用于触控应用，并且需要较少的处理器开销。

　　CTMU 使用恒流源对触摸电路重复充电一段特定时间，并通过 A/D 转换器对电压进行采样。当没有手指存在时，触摸电路将充电至较高电压，或在触摸传感器时充电至较低电压。

　　CTMU 方案允许 MCU 支持与 A/D 通道一样多的按键。它支持低至 4 µs 的键扫描时间。Microchip 在选定的 8 位PIC18和 16 位PIC24中提供外设产品。例如，通用PIC18F45K22 MCU 和支持 USB 的PIC18F46J50 MCU 包括 CTMU。在 16 位系列中，通用PIC24F04KA201 MCU、支持 USB 的PIC24FJ64GB004 MCU 和集成 LCD 控制器的PIC24FJ256DA210 MCU 都包含 CTMU。

　　触摸专用硬件

　　瑞萨电子以不同的方式处理触摸感应。该公司的大多数 MCU 都可以在软件中支持触摸界面。但瑞萨做出了不提供和支持触控软件的战略决定，因为据该公司称，软件实施太容易受到组件漂移、噪音和影响准确性的影响。

　　反而，瑞萨面向 16 位R8C MCU 系列的成员，这些成员具有用于触摸应用的称为传感器控制单元 （SCU） 的外围设备。SCU 基于状态机、比较器和定时器，当它们组合在一起时，可以感应触摸并在硬件中执行噪声对抗和连续系统校准。MCU 系列包括可以感应多达 36 个按键的设备，而这些设备仅使用主机 MCU 的 15% 的计算能力。

　　瑞萨电子方案依赖于一个比较器来测量参考电路和触摸电路的充电和放电。该方案使用定时器来测量触摸电路降至阈值以下所需的时间。

　　据瑞萨电子称，功耗是专用硬件的另一个优势。该公司的 MCU 在扫描键盘进行输入时可以使用低至 16 µA 的电流。瑞萨在工业软件实施中看到的最低功耗在 30 µA 范围内。瑞萨电子引导客户使用 R8C MCU，无论是在独立场景中处理触摸和应用功能，还是作为需要更快处理器的应用的专用触摸控制器。

　　软件支持

　　飞思卡尔的软件和硬件方案方法是为设计团队提供一致的软件接口的灵活性，以及​​使用具有专用触摸硬件的 MCU 或依赖软件算法的标准 MCU 的选择。该公司的 Xtrinsic 触摸传感软件 （TSS） 提供与嵌入式软件开发人员相同的接口，而与 MCU 的硬件功能无关。TSS 适用于没有专用触摸硬件的8 位 HCS08和32 位 Coldfire MCU 系列，以及包含公司触摸感应输入 （TSI） 外设的 32 位 ColdFire+ 和Kinetis MCU 系列。

　　飞思卡尔支持 HCS08 和 Coldfire 的多种触摸算法。也许最简单的是 GPIO 并使用通用 I/O 线。这种基于定时器的方案测量与传感器电极并联的外部电容器充电需要多长时间。如果存在触摸，则电压需要更长的时间才能充电到设定的阈值。

　　TSI 外设完全卸载了 MCU 的触控感应任务，支持 16 键。飞思卡尔表示，支持 TSI 的 MCU 可以在低至 1 µA 的电流下运行，并且在触摸按键时仍可唤醒。

　　分层架构允许设计团队对键盘、滑块和旋转传感器使用相同的接口，无论是否存在 TSI 模块。它还允许设计团队在没有 TSI 的情况下在多种触摸算法中进行选择。