MCU电容式触摸感应技术原理详解

转自 | 瑞萨嵌入式小百科

触摸按键现在越来越流行了，很多家具家电都带有这个功能。

早期，触摸芯片是一种功能单一的专用芯片，现在很多MCU都带有触摸功能。

本文就结合瑞萨MCU（比如RL78/G23、RX140、RX130、RA2L1、RA2E1等多个系列）给大家讲讲MCU电容式触摸感应技术原理，它们通过硬件实现了第二代瑞萨电容式触摸感应技术（简称CTSU2）。

CTSU2除了支持Button、Slider、Wheel等传统的触摸方式之外，还能够执行触控界面的接近式传感、快速并行扫描、自动扫描、多电极连接，从而实现触摸板、3D手势识别等高级应用。

下面简要介绍瑞萨电容式触摸感应技术CTSU2的自容式和互容式检测原理。

自容式

1、自容式概述

图1-1所示为电极中产生的自电容。自电容式按键中连接到电容传感器的单个电极将测量电容量C。C的值是由电极及其周围导体形成的寄生电容Cp和由电极及手指形成的寄生电容Cf的复合值。电容的大小可以通过电容方程式计算 （参见Note部分）。由于周围的器件是静态的，因此Cp是常量，但Cf会随着手指的靠近而增加。通过设置Cf增加量的阈值，可以确定触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。请注意，如果手指直接接触电极，则会导致电极短路，并且无法再测量电容。通常，电极和手指之间有几毫米厚的覆盖面板。

Note

C：电容，ε：相对介电常数，S：电极的正对面积，d：电极间距

图1-1 电极中产生的自电容示意图

2、CTSU2自容式检测原理

图1-2所示为自电容方式的CTSU2内部配置概览。CTSU2输出一个与所连接电极的电容量C成正比的数字计数值，并通过软件确定触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。连接到CTSU2时，电极会充当由传感器驱动脉冲控制的开关电容，并从充放电电流来估测C的电容。CTSU2测量模块具有电流-频率转换功能，输入与充放电电流等效的电流，并输出与电流量成比例的频率。

图1-2 自电容CTSU2内部配置概览

图1-3所示为CTSU2测量结果的示意图。当传感器驱动脉冲频率的一个周期比C充放电时间短且充放电不足时，则没有足够的电流流向C，因此计数值小于理想值。当寄生电容很大时，可以通过降低传感器驱动脉冲频率来进行测量。当传感器驱动脉冲频率降低时，CTSU2可测量的最大值为50pF。请注意，当传感器驱动脉冲频率降低时，电流-频率转换功能在单位时间内的测量次数也会减少，电极的灵敏度也可能会降低。可以通过调整CTSU2中的寄存器设定值来增加单位时间，但完成测量所需的时间也会增加。在设计电容式电极电路时，必须均衡考虑按键灵敏度、测量时间和抗噪性等条件。

图1-3 CTSU2测量结果示意图

自容式

1、互容式概述

互电容方式中的按键电极具有优异的防水性能、支持矩阵结构，以及许多其他自电容所不具备的功能。然而，互电容需要复杂的按键电极配置和布线，使得灵敏度调节难以实现。设计布局图案时，必须考虑每种方式的优缺点。此外，与自电容方式不同，当面板厚度低于指定水平时，灵敏度会降低。在确定面板厚度时，设计人员必须仔细考虑按键电极配置。

图2-1所示为电极中产生的互电容。互电容方式的特性是两个不同导体之间会产生寄生电容Cm。互电容式按键包括连接到电容传感器的两个电极，即接收器电极RX和发射器电极TX。Tx受到脉冲驱动时会产生电场，电荷也在Cm中积累。当手指接近电极时，手指与电极之间会产生寄生电容Cf，Cm和Cf并联。由于Tx的驱动能量是恒定的，因此电荷量不会改变。因此，Cm和Cf上的电荷消除后，Cm电荷也会减少。通过设置Cf增加量的阈值，可以确定触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。请注意，如果手指直接接触电极，则会导致电极短路，并且无法再测量电容。通常，电极和手指之间有几毫米厚的覆盖面板。

图2-1 互电容电极示意图

2、CTSU互电容方式检测原理图1-2所

图2-2所示为互电容方式的CTSU内部配置概览。CTSU输出与连接到电极的Rx和Tx的互电容成反比的数字计数，并通过软件判断触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。为测量所连接的两个电极上存在的电容Cm，CTSU通过反转脉冲输出和开关电容之间的相位关系来获得Cm，同时测量两次自电容，然后通过软件计算两个值的差值。

图2-2 互电容方式的内部配置概览

　　审核编辑：汤梓红