Atmel AT42QT1070七通道QTouch触摸传感器IC深度解析

在电子设备的设计中，触摸传感器的应用越来越广泛，从消费电子到工业控制，都能看到它们的身影。Atmel的AT42QT1070七通道QTouch触摸传感器IC就是一款性能出色的产品，今天我们就来深入了解一下它。

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一、产品概述

AT42QT1070是一款数字突发模式电荷转移（(QT^{IN})）电容式传感器驱动器。它能够在不同模式下感应1到7个按键，具备多种信号处理功能，可在各种变化条件下提供稳定的感应效果，并且输出经过完全去抖处理。该IC仅需少量外部元件即可工作，无需外部Cs电容。

（一）产品特性

1. 配置模式：支持通信模式（Comms mode）和独立模式（Standalone mode）。
2. 按键数量：通信模式下可支持1 - 7个按键（或1 - 6个按键加一个保护通道）；独立模式下支持1 - 4个按键加一个固定在按键0上的保护通道。
3. I/O线数量：独立模式下有5个输出。
4. 技术特点：采用专利的扩频电荷转移技术。
5. 按键尺寸：建议按键轮廓尺寸为6 mm x 6 mm或更大（取决于面板厚度），且支持多种不同的尺寸和形状。
6. 层数要求：仅需一层。
7. 电极材料：可使用蚀刻铜、银、碳、氧化铟锡（ITO）等。
8. 面板材料：适用于塑料、玻璃、复合材料、喷漆表面（低颗粒密度金属漆也可行）。
9. 面板厚度：玻璃面板最大厚度可达10 mm，塑料面板最大厚度可达5 mm（取决于电极尺寸）。
10. 按键灵敏度：通信模式下可通过兼容I2C的接口使用简单命令单独设置；独立模式下设置固定。
11. 接口：支持I2C兼容从模式（400 kHz），还有离散检测输出。
12. 信号处理：具备自校准、自动漂移补偿、噪声过滤、相邻按键抑制（AKS®）等功能，AKS最多可设置三组。
13. 电源：工作电压范围为1.8 V - 5.5 V。
14. 封装：提供14引脚SOIC和20引脚VQFN两种符合RoHS标准的封装。

（二）引脚和原理图

1. 引脚配置：文档详细给出了通信模式和独立模式下14引脚SOIC和20引脚VQFN的引脚配置及引脚描述。不同模式下部分引脚的功能有所不同，例如MODE引脚，通信模式下需连接到Vss，独立模式下则连接到Vdd。
2. 原理图：提供了通信模式和独立模式下14引脚SOIC和20引脚VQFN的典型电路原理图。同时，文档还指出了各原理图中元件值的参考章节，如串联电阻（Rs）、LED走线、电源供应、SDA和SCL上拉电阻等。

二、工作模式

（一）通信模式

在通信模式下，主机可以通过I2C总线与AT42QT1070进行通信。用户可以配置阈值、相邻按键抑制（AKS）、检测积分器、低功耗（LP）模式、保护通道和按键最大开启时间等设置。

（二）独立模式

独立模式下不需要I2C接口。在给AT42QT1070上电前，将Mode引脚连接到Vdd即可进入该模式。此模式下，启动值在固件中硬编码，无法更改，默认使用启动值。按键检测通过各自的IO进行报告，并且在独立模式下，按键0会自动实现保护通道功能，该通道在按键触摸时具有最高优先级。

三、按键相关

（一）按键数量和配置

根据不同模式，AT42QT1070的按键数量有所不同。通信模式下最多可支持7个按键，独立模式下最多支持4个按键。对于未使用的按键，可通过将平均因子设置为零来禁用。

（二）按键状态检测

可以读取状态寄存器来确定相应按键的触摸状态。建议使用开漏CHANGE线来检测状态变化。

四、输入/输出（IO）线

通信模式下没有IO线。在独立模式下，引脚OUT0 - OUT4可作为开漏输出用于驱动LED。

五、采集/低功耗模式（LP）

AT42QT1070有255种不同的采集时间可供选择，通过LP模式字节进行控制，该字节可通过I2C通信写入。LP模式控制采集测量之间的间隔，间隔越长，功耗越低，但响应时间会增加。在校准、触摸和检测积分器（DI）期间，LP模式会临时设置为LP模式1以实现更快的响应。

六、相邻按键抑制（AKS）技术

AT42QT1070采用了Atmel专利的相邻按键抑制（AKS）技术，可在键盘上使用紧密排列的按键，且不会影响用户的选择能力。最多可设置三组AKS组，每组中任何时候只有一个按键可被报告为被触摸。只有当处于检测状态的按键退出检测时，该组中的其他按键才能进入检测状态。

七、CHANGE线（仅通信模式）

CHANGE线为低电平有效，当检测或输入按键状态字节发生变化时发出信号。主机读取状态字节后，该线会被清除（允许浮空高电平）。如果在主机读取状态字节之前状态字节恢复到原始状态，CHANGE线将保持低电平，此时读取任何内存位置都可清除该线。CHANGE线为开漏输出，应通过一个47 kΩ电阻连接到Vdd，这对于最小化功耗至关重要，可确保AT42QT1070尽可能长时间处于睡眠状态。

八、复位类型

（一）外部复位

如果需要，可以使用外部复位逻辑线连接到RESET引脚。但在大多数情况下，将RESET连接到Vdd即可。

（二）软复位

主机可以通过向RESET字节写入非零值来触发设备复位。软复位会触发内部看门狗定时器，间隔为125 ms，125 ms后设备复位并重新启动。在设备初始化的前30 ms内，它会对任何通信尝试进行NACK响应。

九、校准

通过向校准字节写入非零值，可以在任何时候强制进行重新校准。这对于清除长时间连续检测后出现的按键卡住情况非常有用。校准命令会清除所有按键状态位和溢出位（直到下一个周期进行检查）。

十、保护通道

在两种模式下都提供保护通道，用于帮助防止误检测。独立模式下保护通道固定在按键0上，通信模式下可进行编程设置。保护通道按键应比其他按键更灵敏（物理尺寸更大），因此其平均因子较高，阈值较低。在按键过滤进入检测状态时，保护通道具有优先级。

十一、信号处理

（一）检测阈值

当信号超过阈值水平并在指定数量的计数内保持时，设备会检测到触摸。可以通过I2C命令逐键更改检测阈值。独立模式下，保护通道的检测阈值固定为相对于内部参考电平变化10个计数，其他四个按键为20个计数。参考电平可根据漂移补偿机制缓慢调整。

（二）检测积分器

设备具有快速检测积分器计数器（DI滤波器），可过滤噪声，但会略微降低响应时间。DI滤波器需要可编程数量的连续采样确认检测后，才会将按键声明为被触摸，最小值为2，设置为0和1时也默认为2。触摸移除时也会使用DI滤波器，当地址53的第5位设置时，按键以积分器为4的方式过滤退出。

（三）Cx限制

按键电容Cx的推荐范围为1 pF - 30 pF，较大的Cx值会降低灵敏度。

（四）最大开启时间

为防止物体或材料阻挡感应垫导致信号持续升高而影响进一步操作，传感器包含一个定时器来监控检测情况。如果检测时间超过定时器设置，传感器会进行按键重新校准。独立模式下该功能设置为约30 s，通信模式下可在1 - 255（160 ms - 40,800 ms）范围内以160 ms为步长进行设置，设置为0可禁用该功能。

（五）正向重新校准

如果按键信号相对于其参考值在负方向上跳跃超过正向重新校准设置（4个计数），则会对该按键进行重新校准。

（六）漂移保持时间

漂移保持时间（DHT）用于在一个或多个按键被激活时限制所有按键的漂移。在所有触摸移除后约四秒内，DHT会限制所有按键的漂移。这在高密度键盘应用中特别有用，可防止触摸或手指悬停导致未触摸按键漂移，从而影响触摸检测。

（七）迟滞

迟滞固定为检测阈值的12.5%。当按键进入检测状态且DI计数达到要求时，NTHR值会向远离触摸的方向改变一小部分（NTHR的12.5%），以减少按键在检测状态内外抖动的可能性。按键退出检测状态后，NTHR值会恢复。

十二、布线和部件

（一）Rs电阻

串联电阻Rs（通信模式下为Rs0 - Rs6，独立模式下为Rs0 - Rs4）用于限制静电放电（ESD）电流和抑制射频干扰（RFI），建议取值约为4.7 kΩ - 20 kΩ。

（二）LED走线和其他开关信号

数字开关信号靠近感应线会在采集信号中引入瞬态，降低设备的信噪比（SNR）性能。这些信号应远离感应走线和电极，或者设计时确保在信号采集（突发）过程中这些线路不进行切换。对于多路复用或切换到浮空状态的LED端子，应使用至少10 nF的电容旁路到Vss或Vdd，以抑制电容耦合效应。

（三）PCB清洁度

现代免清洗助焊剂通常与电容式感应电路兼容，但如果对PCB进行任何返工，助焊剂的特性可能会发生变化，导致吸收水分并影响电容测量。因此，返工后应彻底清洁PCB，去除电容式传感器组件周围的助焊剂残留物，并在进一步测试前彻底干燥。

（四）电源供应

AT42QT1070的电源供应范围为1.8 V - 5.5 V。如果电源随温度缓慢波动，设备可自动跟踪并补偿这些变化，灵敏度仅有微小变化。但如果电源电压快速漂移或变化，漂移补偿机制可能无法跟上，导致灵敏度异常或误检测。电源应干净，如有可能应使用单独的稳压器。同时，应在IC电源引脚附近放置一个0.1 µF的陶瓷旁路电容，以避免设备振荡、高电流消耗和不稳定操作。

十三、I2C通信（仅通信模式）

（一）I2C协议

I2C协议基于对地址表的访问，支持多字节读写，最大时钟速率为400 kHz。通信需要SDA（串行数据）、SCL（串行时钟）和CHANGE三条线。CHANGE线用于信号设备状态字节的变化，低电平有效。

（二）I2C地址

预设的I2C地址为0x1B，不可更改。

（三）数据读写

1. 写入数据：主机先发送START条件，然后发送设备从地址和WRITE位，设备响应ACK后，主机发送目标内存地址，设备再次响应ACK后，主机发送数据字节，最后发送STOP条件。
2. 读取数据：主机先发送START条件和设备从地址及WRITE位，设备响应ACK后，主机发送要读取的内存地址，设备再次响应ACK后，主机发送STOP和START条件，再发送设备从地址和READ位，设备返回ACK和数据字节，主机根据情况返回ACK或NACK。

（四）SDA和SCL

I2C总线通过SDA和SCL分别传输数据和时钟，它们为开漏输出，需要上拉电阻将线路拉高。上拉电阻的取值范围通常为1 kΩ - 10 kΩ，应确保SDA和SCL的上升时间满足I2C规范（最大1 µs）。

十四、设置

（一）内部寄存器地址分配

文档详细列出了内部寄存器的地址分配，包括芯片ID、固件版本、检测状态、按键状态、按键信号、参考数据、负阈值、平均因子/相邻按键抑制、检测积分器、快速输出DI/最大校准/保护通道、低功耗模式、最大开启时间、校准和复位等寄存器的地址和功能。

（二）各寄存器功能

不同寄存器具有不同的功能，例如芯片ID寄存器用于读取芯片的主要和次要ID；检测状态寄存器包含校准、溢出和触摸等标志位；按键状态寄存器用于指示哪些按键处于检测状态等。通过对这些寄存器的读写操作，可以实现对AT42QT1070的各种设置和状态监测。

十五、规格参数

（一）绝对最大规格

包括Vdd范围（-0.5 to +6 V）、最大连续引脚电流（±10 mA）、引脚短路到地或Vdd的持续时间（无限）、引脚强制电压范围（-0.5 V to (Vdd + 0.5) V）等。超出这些规格可能会对设备造成永久性损坏。

（二）推荐工作条件

工作温度范围为 -40°C to +85°C，存储温度范围为 -55°C to +125°C，Vdd范围为 +1.8 V to 5.5 V，电源纹波和噪声为 ±25 mV，每个按键的Cx负载电容为1 to 30 pF。

（三）DC规格

包括低输入逻辑电平（Vil）、高输入逻辑电平（Vih）、低输出电压（Vol）、高输出电压（Voh）、输入泄漏电流（Iil）等参数的范围。

（四）功耗测量

在不同LP模式和不同Vdd电压下，给出了功耗的测量值。例如，在LP模式为0（8 ms）、Vdd为5 V时，Idd为1744 µA。

（五）时序规格

包括响应时间（TR）、采样频率（FQT）、上电延迟到操作/校准时间（TD）、I2C时钟速率（FI2C）、突发调制百分比（Fm）、RESET脉冲宽度等参数的范围。

（六）机械尺寸

详细给出了14引脚SOIC和20引脚3 x 3 mm VQFN封装的机械尺寸和相关说明。

（七）标记和型号

提供了不同封装的标记方式和对应的型号，如AT42QT1070-SSU为14引脚SOIC，AT42QT1070-MMH为20引脚3 x 3 mm VQFN。

（八）湿度敏感度等级（MSL）

MSL评级为MSL3，峰值本体温度为260°C，符合IPC/JEDEC J-STD-020标准。

综上所述，Atmel AT42QT1070七通道QTouch触摸传感器IC具有丰富的功能和良好的性能，适用于多种触摸感应应用场景。在设计过程中，工程师需要根据具体需求合理配置各项参数，注意布线和部件的选择，以确保设备的稳定运行。你在使用这款IC的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。