PSoC电容式触摸感应技术

2008-07-13 18:44:50来源: 设计创新
  PSoC是由Cypress半导体公司推出的具有数字和模拟混合处理能力的可编程片上系统芯片,某些系列的PSoC(如CY8C21X34系列),由于其内部配备的特殊资源,使得它可以很容易地实现电容式触摸感应功能,仅需少量的几个外置分立元件,可以将每一个通用的I/O都配置为电容感应输入。
  电容式触摸感应原理如图1所示,电路板上两块相邻的覆铜之间存在一个固有的寄生电容Cp,当手指(或其他导体)靠近时,手指和两块覆铜之间又产生新的电容,这些电容相当于并联到原来的Cp之上,当我们把其中一块覆铜连接到PSoC的模拟I/O上,另一块连接到地上,就可以通过测量电容的变化来判断手指的存在。
       我们把连接到PSoC上的覆铜称之为电容传感器(Capacitive Sensor),电容传感器上需覆盖绝缘材料(产品外壳)。通过在PSoC内部搭建电路并用内建8位处理器的程序来控制电路的运作,就可以把电容的变化转化成计数值的变化,进而转化成按键动作所需要的开关量。


  PSoC内部有几种预先设计好的电容感应用户模块,用户模块可以看作是硬件电路配置与软件库函数(API)的集合,用户所需要做的就是在PSoC开发环境(PSoC designer)中将用户模块配置到数字/模拟阵列中,开发环境会自动生成硬件寄存器配置及库函数,剩下的工作就是一些用户模块参数的调整,以及应用代码的编写。整个开发过程非常直观、流畅,对于有嵌入式系统开发经验的工程师来说,很快就会得心应手。

电容式感应技术为工业设计提供新的思路
       有了电容式感应技术,工业设计师首先能想到的就是把传统的机械按键换成电容式的感应开关。这增加了工业设计的灵活性,因为电容式开关可以隐藏在一块完整的表面下边,不需要像机械按键那样需要预留机械部件运动的空间。在有些便携式产品上,设计师希望能在产品上赋予自然的灵性,比如像贝壳一样的MP3播放器、像卵石一样的手机,用电容式开关取代机械按键可以在最大程度上还原设计师的构思,让产品外观有浑然天成的效果。
        按键是电容式感应技术最常见的应用方式,利用PSoC内建8位处理器的运算,可以在产品上实现更为人性化的操作方式,比如滑动条(一维操作)和触摸板(二维操作)。
将多个电容传感器并排放在一起就可以实现滑动条(slider)的功能,如图2所示,PSoC按顺序感测每一个传感器的电容变化,除当前正在被感测的传感器以外,其他的传感器都在PSoC内部连接到地上,这样可以保证每个传感器的电容一致性。


       滑动条在布局时需保证手指可以同时覆盖或接近至少2个传感器,这样在图2的计数值曲线上会呈现一个凸起型的变化趋势,通过插值算法可以精确计算出当前的手指的中心位置,此位置的分辨率要远远大于实际传感器的个数。而位置的变化即手指滑动的方向和位移即可以转化成用户的输入信息。


       改变滑动条的排列形状可以使滑动条呈现各种各样的线条,从而美化产品的外观。图3是一种圆型的滑动条的传感器排布。根据工业设计的需要,滑动条还可以在外观上体现为扇形、椭圆形、波浪形等等。滑动条不但提供了一种新的UI输入方式,还在产品外观上增加了必要的美学点缀,使设计更富有神秘感。
       二维的滑动条就构成了触摸面板,如图4所示,通过在横向和纵向分别扫描就可以定位触摸点的二维坐标,笔记本电脑上的Trackpad就是利用这个原理。随着显示屏幕(如LCD)分辨率的日渐增加,越来越需要二维的坐标信息来定位屏幕上的位置,因此触摸面板也就有了用武之地。

充分利用有限的输入区域
       随着便携设备的发展,在产品的有限空间上摆放尽量多的输入元素就成为一个新的挑战。PSoC的软功能键定义为这个需求提供了一个很好地解决方案。图3中给出了的软功能键的基本原理,在滑动条或触摸面板上定义一个坐标区域,当手指在此区域中保持一定时间,就认为是该区域对应的功能键被按下。
       软功能键的设计为设计节省了空间,在一块滑动条或触摸面板上,可以实现不同类型的输入元素,如图5所示,在5a的这样的一块触摸面板上,通过覆盖不

同的提示图案5b、5c或5d,可以同时实现按键和触摸面板的功能,用户的输入意图可以根据手指的运动规律由PSoC软件自动识别,无需机械切换动作。这样的设计,在提高空间利用率的同时,也为设计师提供了更多想像的空间。


       设计师也许会问,在图5中,5b、5c和5d这样不同的输入功能,可不可以在这一个区域上同时实现呢?答案是肯定的,将5a的触摸面板换成透明的金属材料(如ITO,即铟锡氧化物),将此透明的触摸面板贴合到具有动态显示功能的显示屏(如LCD)上,由显示屏显示出不同的按键布局,即可实现动态输入键的功能。ITO这种金属材料的透明度与自身阻抗成正比,即透明度越高,阻抗越高,采用PSoC最新的触摸感应算法,可以使电容式触摸感应免受高阻抗的影响,从而保证显示的效果。

如何与用户产生交互
       传统机械按键的使用方式已经深入人心,机械按键给人的力学反馈是触摸按键所不能提供的,这不禁让人担心触摸按键的交互性不好。其实这种担心是没有必要的,PSoC为用户提

供了其他的选择。
PSoC内部有丰富的数字和模拟资源,电容式触摸感应只用到了其中的一部分,剩余的资源可以用来进一步增加系统功能和优化系统设计。如图6所示,用PSoC来连接不同的外设,可以为用户提供听觉反馈(蜂鸣器),触觉反馈(马达)或视觉(LED)反馈,而推动这些外设都可以用PSoC内部资源来实现,无需或仅需少量的分立元件。


       在资源不够用的情况下,甚至可以利用PSoC的动态重配置功能,分时地使用PSoC内部的硬件资源,以达到资源利用的最大化。

让产品学会欢迎主人
       电容式的触摸感应还有另外一个应用,就是接近式感应,亦即用户无需触摸到产品的外壳,只要接近了产品,就能被感应到。PSoC实现接近式感应是通过减小传感器上的固有电容Cp来相对放大外来的电容变化,从而能感应10cm范围内的人体接近。
        这种接近式感应也为产品的工业设计提供了新的思路。比如说当用户接近产品的时候,产品的显示屏背光(或效果灯)亮起,让用户能提前看到目前的工作状态;或者产品上播放一段音乐,让用户产生被欢迎的感觉。这样的设计有两个好处,首先是省电,众所周知,产品上的显示屏是用电大户,而当用户未接近时,显示屏上的信息完全没有发挥作用,因此可以在此时将显示屏关闭,或背光关闭,而在用户靠近时打开,这可以在很大程度上节省电能;其次接近式感应设计可以增加交互的乐趣,提升产品的附加值,从而刺激客户的购买欲。

  由于PSoC的硬件和软件可编程特性,以及其丰富的片上资源,使得其在电容式触摸感应技术领域具有得天独厚的优势,它可以使产品设计在功能和性能上差异化,并最大程度上降低系统的成本。

关键字:寄生电容  传感器  处理器  控制  计数

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0713/article_169.html
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