利用普通I/O口实现电容触摸感应方案

2011-03-30 23:06:07来源: 互联网

现在电子产品中,触摸感应技术日益受到更多关注和应用,不仅美观耐用,而且较传统机械按键具有更大的灵敏度、稳定性、可靠性,同时可以大幅提高产品的品质。触摸感应解决方案受到越来越多的IC设计厂家的关注,不断有新的技术和IC面世,国内的公司也纷纷上马类似方案。Cpress公司的CapSense™技术可以说是感应技术的先驱,走在了这一领域的前列,在高端产品中有广泛应用,MCP推出了mTouch™,AT也推出了QTouch™技术,FSL推出的电场感应技术与MCP的电感触摸也别具特色,甚至ST也有QST产品。

但是目前所有的触摸解决方案都使用专用IC,因而开发成本高,难度大,而本文介绍的基于RC充电检测(RC Acquisition)的方案可以在任何MCU上实现,是触摸感应技术领域革命性的突破。首先介绍了RC充电基础原理,以及充电时间的测试及改进方法,然后详细讨论了基于STM8S单片机实现的硬件、软件设计步骤,注意要点等。

一、RC充电检测基本原理

RC充电检测基本原理是对使用如PCB的电极式电容的充电放电时间进行测量,通过比较在人体接触时产生的微小变化来检测是否有‘按下’动作产生,可选用于任何单独或多按键、滚轮、滑条。

如图1(a)所示,在RC网络施加周期性充电电压Vin,测量Vout会得到如(b)的时序,通过检测充电开始到Vout到达某一门限值的时间tc的变化,就可以判断出是否有人体接触。图2显示出有人体接触时充电时间会变长。

实现电路如图3,使用一个I/O口对PCB构成的电容充电,另一个I/O口测量电压,对于多个按键时使用同一个I/O口充电。R1通常为几百K到几M,人体与PCB构成的电极电容一般只有几个pF,R2用于降低噪声干扰,通常为10K。

二、充电时间测量方法

对充电时间的测量可以使用MCU中定时器的捕捉功能,对于多个按键一般MCU没有足够的定时器为每个按键分配一个,也可以使用软件计时的方法,这要求能对MCU的时钟精确计数,并且保证每个周期的时钟个数保持一定。这种情况通常要求对按键使用一个独立的MCU,以保证不被其他任务中断。

为了提高系统的可靠性和稳定性,改进的测量方法是对Vout进行高和低两个门限进行测量。如图4所示,通过对t1和t2的测量,从而达到更可靠的效果。另外,多次测量也是有效的降低高频干扰的有效方法。

实际应用中可以使用数字信号的方式直接测量t1和t2,因为数字信号的‘1’和‘0’也都有最高与最低输入门限。使用软件查询方式测量,通过固定频率检测输入脚,其中‘0’的个数就是t1,‘1’的个数就是t2,实际上就是输入信号上升到VIHmin和下降到VILmax的时间。

三、PCB设计注意事项

不论是单按键、多按键、滑条、滚轮设计,还是混合应用,都可以使用一个I/O进行充电,即可减少资源应用,又可以因使用同一定时标准从而简化软件设计。

用于传递按键信号的线一定要足够的细,以降低线路造成的电容的影响,信号线间距为两倍线宽,不同组的信号间距应保证3mm~5mm。同组的信号线长度应尽量保持一致,不同组的信号线不可以交叉。独立按键的形状可设计为、圆、三角或正多边形,尺寸以10mm~15mm为宜。滑条的形状可以是长方形或锯齿形,滚轮可以设计为幅射的扇形或环形,也可以是交错的齿轮,每个部分之间应保持0.2~0.5mm。按键PCB层不应该覆铜,否则会影响感觉的灵敏度,而反面可以覆铜,可以减少干扰。

按键除设计为单通道模式,还可以设计为多通道模式,通过对附近按键的感应信号强度判断手指的位置,甚至可设计出‘连续’的滑动效果。

LED经常在感应设计中用来指示按键是否有效按下,注意按键的地或电源线就尽量短,线路较长时宜增加1nF的滤波电容。

另外,建议电源电路使用线性电源而不是开关电源,这对提高感应灵敏度很重要。

关键字:电容

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0330/article_6445.html
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