CY8C22x45系列PSoC芯片实现触摸感应系统的设计

电容式触摸感应开关，不像裸露在外的按钮和开关那样容易受到环境磨损的影响，也不需要像机械那样需要预留机械部件运动的空间，因此它不仅在外观上使得产品更漂亮，而且增强了用户体验，同时也延长了设备的使用寿命。由于在很多方面的优势，目前电容式触摸正在迅速的在MP3，MP4，移动电话，汽车面板，白色家电，工业仪表等场合得到充分的应用。Cypress新推出的支持双通道电容感应的CY8C22x45系列芯片内部有专用的双通道电容感应模块，不需要占用额外的模拟模块和数字模块，而且还支持灵活多样的配置模式。因此在实现电容感应之外，还具有额外的模式和数字资源去实现模拟数字转换，LED驱动，马达控制，电源管理等功能。因此，通过CY8C22x45的单芯片能够灵活实现支持触摸感应的系统，能够极大的提高系统的集成度和性价比。

一、Cypress 触摸感应芯片

在电容触摸感应领域，Cypress提供了多种解决方案，其中包括了触摸感应以及电容式触摸屏。广泛应用的触摸感应芯片CY8C21xxx，CY8C20xxx系列芯片，电容式触摸屏感应芯片为CY8CTMGxxx，CY8CTMAxxx。触摸感应能够实现对触摸的检测，这些触摸的感应芯片所采用的技术有CSA（Capsense Successive Approximation）， CSD（CapSense Sigma Delta），CSD ADC（CapSense Sigma-Delta Plus ADC）等。基于这些技术可以实现触摸以及触摸的滑动条。而CY8CTMGxxx则是基于Cypress TrueTouch技术，在实现电容触摸感应的的基础上能支持多点触摸以及手势操作。CY8CTMAxxx则基于最新的电容检测技术，采用Tx-Rx的原理，能够支持全指触摸感应以及多种手势操作。

二、双通道电容感应芯片CY8C22x45

目前广泛应用的触摸感应芯片（CY8C21xxx，CY8C20xxx）的典型应用框图如图1。

触摸感应芯片通过不停的扫描感应按钮或者是滑条的输入，然后运行上层算法来检测的状态或者滑条上的坐标位置，并通过I2C或者其他的通信接口把当前的信息发送到主机端，主机根据当前的输入信息控制显示或者作出其他的相应。

CY8C22545的芯片是对CY8C21xxx以及CY8C20xxx芯片的增强，它的设计目标是把触摸感应以及系统控制都集中在同一个芯片内完成。该芯片与以往的PSoC兼容，片上具有混合信号阵列以及专用的中央处理器。它的结构框图如图2。

CY8C22x45最大支持38个GPIO，16K的flash以及1K的SRAM，同时与其他的PSoC设备一样，片上还集成了I2C，MAC等系统资源。除此之外，CY8C22545还提供了经过优化的专用10位SAR的ADC以及专用的双通道CSD模块和RTC。它与CY8C21x34的资源对比如下表1。

表 1 CY8C22x45与CY8C21x34资源对比

数字模块除了在数量上增加之外，CY8C22x45还在数字模块中增加了专用的通路支持同步触发以及PWM的Kill等功能。在模拟系统中，CY8C22x45还提供了2条模拟总线以配合双通道的触摸感应扫描。

CY8C22x45所专有的双通道CSD模块使得在构建触控扫描的过程中，不在像传统的CY8C21xxx等芯片需要占用VC1/VC2/VC3时钟资源以及额外的数字模块。利用双通道的专用CSD模块以及2条模拟总线，CY8C22x45可以同时的扫描2个，从而能够极大的降低整体的扫描时间。

三、双通道电容感应用户模块CSD2X

CY8C22x45的用户模块CSD2X对应于其专用的双通道CSD硬件模块。该用户模块支持多样性的配置。对于扫描的充电可以通过外部电阻Rb来实现也可以通过内部的IDAC来实现。同时对于应用比较少的场合，还可以选择单通道以节省资源。根据通道数以及所采用的充电方式的不同，双通道CSD2X用户模块支持的配置方式以及所需要的资源见下表2。

表 2 CSD2X用户模块支持的配置方式以及所需要的资源表

CY8C22x45内部集成了两个最大输出640 μA的电流源，因此可以替换掉充电电阻Rb对触摸感应进行充电。也可以关闭两个电流源，通过传统的外部充电电阻的方式进行触摸感应。采用Rb的配置每个通道需要额外的增加1个管脚。单通道相比双通道占用的资源较少，适合小型的应用。

采用IDAC配置和Rb配置的双通道配置的单个通道结构如下图3和图4所示。单通道的Rb配置和双通道中单个通道相同，单通道的IDAC配置可以同时使用两个IDAC进行切换，使得在触控上始终有电流流过，在检测触控时，如果寄生电容特别大，可以采用此配置。也可以采用和双通道中单个通道相同的配置。本文仅讨论和双通道中单个通道相同的配置。

 

如图3和图4所示，双通道CSD的充电时钟以及计数时钟有专门的CSD Logic来生成，不需要占用系统时钟。在IDAC的配置模式下，单个通道仅仅需要一个外置的Cmod电容就能够进行工作。而Rb的配置模式下，需要外接一个充电电阻Rb。Rb和IDAC的作用是根据Sigma-Delta调制器的输出进行间歇性的充电。CSD Logic中还集成了专用的计数器，不再需要占用数字模块构成计数器。

在新版本的PSoC开发环境中PD5，可以方便的使用CSD2X用户模块。在完成新建工程之后，给工程添加CSD2X用户模块，这时会弹出对话框用来选择不同的配置模式。根据自己的具体需要选择相应的配置模式。本文以双通道IDAC的配置为例。该用户模块可以配置的参数如图5所示。

该用户模块支持自动矫正，通过打开该选项可以在开机的时候进行矫正，通过调整IDAC的值使得计数器的输出在比较合适的范围内。

Reference R和Reference L参数用来设置比较器端的比较电压来源。IDAC Range用来设置IDAC的大小区间。结合单个触摸的IDAC配置共同来影响IDAC的大小。IDAC Range设置的越大，相应的IDAC的输出电流就越大。

Pre-ChargeSource 用来选择用来对触摸Switching的时钟来源。有两个选项，PRS可以生成随机的脉冲序列，使得系统具有更好的抗干扰特性。Timer选项使得充放电的脉冲频率稳定，在防水等应用中比较有优势。

Pre-Scalar用来选择系统输出CSD_Clock的分频系数。通常该系数可以根据触摸按键可充放电的最快频率来确定。

上述参数的配置是全局性的，能够影响到所有的触摸按键。

在完成上述参数的配置之后，可以通过打开向导对传感器的参数进行单个配置。如图6所示。

在单个参数配置中，DAC值和IDAC Range的设置一起决定了对当前按键的充电电流的大小。通过调整该值以及IDAC的Range可以调整单个触摸按键的灵敏度。

Reference Value和全局设定中的Reference Source一起决定Vref值的大小，调整该值也能够调整触摸按键的灵敏度。

ScanSpeed参数决定了计数时钟的快慢，该参数设置的越快，触摸的扫描速率越快。

ScanResolution参数决定了能够达到的最大分辨率。该参数反映在总的计数能够输出的最大值的多少。该值越大，得到的系统分辨率越高，但是扫描一次所消耗的时间也随之增大。

四、总结

本文对CY8C22x45系列PSoC芯片进行了介绍并重点讨论了该芯片所支持的CSD2X用户模块。由于采用了专用的触摸感应模块CSD2X， CY8C22x45在触摸感应的应用中不需要占用系统的时钟资源以及数字模块，同时还支持灵活多样的配置模式。不仅能够方便快捷的实现触摸感应功能，还可以可以使得系统有足够的数字模块和模拟模块去实现控制功能，采用单个芯片就能够构成基于触摸感应控制的系统。