【導(dǎo)讀】使用人體和電極之間引起的靜電電容進(jìn)行工作的電容式觸摸開(kāi)關(guān)，一開(kāi)始是被用于智能手機(jī)，進(jìn)而又被廣泛地應(yīng)用到家電產(chǎn)品、AV機(jī)器、汽車以及工業(yè)設(shè)備上。觸摸開(kāi)關(guān)的組成無(wú)需機(jī)械部件的原因，所以使用起來(lái)很靈活，甚至可以安裝在堅(jiān)硬的曲面上。本文在瑞薩電子的靜電電容式觸摸技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹觸摸開(kāi)關(guān)檢測(cè)的基本原理以及抗干擾技術(shù)等。
前言
使用人體和電極之間引起的靜電電容進(jìn)行工作的電容式觸摸開(kāi)關(guān)，一開(kāi)始是被用于智能手機(jī)，進(jìn)而又被廣泛地應(yīng)用到家電產(chǎn)品、AV機(jī)器、汽車以及工業(yè)設(shè)備上。觸摸開(kāi)關(guān)的組成無(wú)需機(jī)械部件的原因，所以使用起來(lái)很靈活，甚至可以安裝在堅(jiān)硬的曲面上。本文在瑞薩電子的靜電電容式觸摸技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹觸摸開(kāi)關(guān)檢測(cè)的基本原理以及抗干擾技術(shù)等。
觸摸開(kāi)關(guān)檢測(cè)原理簡(jiǎn)介
靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)通過(guò)捕捉人體與電極之間靜電電容（1pF以下）的微弱變化，判斷開(kāi)關(guān)的ON/OFF狀態(tài)。有很多種方法可以將靜電電容量轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)的ON/OFF狀態(tài)。其中最簡(jiǎn)單的方法，是利用靜電電容和電阻形成低通濾波器（LPF），通過(guò)測(cè)量充電/放電常數(shù)的變化判斷靜電電容的變化。這種方式被稱為張馳振蕩方式。由于其電路簡(jiǎn)單，無(wú)需專用的靜電電容測(cè)量電路，因此被廣泛應(yīng)用。但是這種方法的抗噪聲性能偏弱，有時(shí)會(huì)由于照明燈具或家電產(chǎn)品的逆變?cè)肼暥l(fā)生誤判。
瑞薩電子開(kāi)發(fā)的靜電電容式觸摸檢測(cè)方法，利用開(kāi)關(guān)電容濾波器（SCF）將靜電電容量轉(zhuǎn)換為電流量，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大和數(shù)字化處理后，根據(jù)它判定開(kāi)關(guān)的ON/OFF狀態(tài)。這種方法具有靈敏度高，抗噪聲性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。具體的檢測(cè)流程如圖1所示。本章按照?qǐng)D1的流程，說(shuō)明靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。
圖.1 靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)的檢測(cè)流程（“數(shù)字.數(shù)字”表示章節(jié)號(hào)）
靜電電容的發(fā)生
靜電電容發(fā)生的機(jī)理如圖2所示。電極和其周圍的導(dǎo)電體（地線、金屬框等）之間存在寄生電容（Parasitic Capacity: Cp）。當(dāng)人體接近、觸摸電極時(shí)，人體和電極之間通過(guò)手指產(chǎn)生新增的靜電電容（Finger Capacity: Cf），并通過(guò)可以導(dǎo)電的人體和大地連接（如圖2中紅線所示）。
圖.2 靜電電容的發(fā)生（自電容方式）
電極上產(chǎn)生的靜電電容的總?cè)萘浚═otal Capacity），如下所示：
靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)按照一定周期循環(huán)測(cè)量電極的靜電電容量，并根據(jù)人體接觸時(shí)產(chǎn)生的靜電電容的增加量Cf，判定觸摸開(kāi)關(guān)的ON或者OFF狀態(tài)。
靜電電容的發(fā)生
如[靜電電容的發(fā)生]所述，將人體與電極之間產(chǎn)生的靜電電容量轉(zhuǎn)換為電流量的方法使用了開(kāi)關(guān)電容濾波器（Switched Capacitor Filter: SCF）。如圖3所示，SCF是由2個(gè)開(kāi)關(guān)、控制2個(gè)開(kāi)關(guān)交互ON/OFF動(dòng)作的控制脈沖、電源以及電容組成的。
圖.3 SCF構(gòu)成及電容的充放電動(dòng)作
SW1和SW2在控制脈沖的作用下，一個(gè)開(kāi)關(guān)ON時(shí)，另外一個(gè)開(kāi)關(guān)OFF。如圖3中的左圖所示，當(dāng)SW1 = ON；SW2 = OFF時(shí)，電容充電。隨后，如圖3中的右圖所示，切換到SW1 = OFF；SW2 = ON的狀態(tài)后，電容放電。流經(jīng)電容的電流i、開(kāi)關(guān)的切換頻率f、電容值c和電路供電電壓v之間的關(guān)系，如下式所示：
i = fcv
如果f和v固定不變，電流i和電容c成正比。因此，可以使用SCF將人體接近時(shí)產(chǎn)生的靜電電容量的變化轉(zhuǎn)換為電流量的變化。通過(guò)調(diào)整切換頻率f和供電電壓v，可以改變靜電電容變化量和電流變化量之間的比例系數(shù)。
電流的數(shù)值化
電容的容量值轉(zhuǎn)換為成比例的電流量后，經(jīng)過(guò)電流—頻率轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為和電流量成比例的振蕩脈沖。然后，計(jì)數(shù)器對(duì)振蕩脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)而將電流轉(zhuǎn)換為成比例的數(shù)字值。
電流的數(shù)值化流程，如圖4所示。對(duì)SCF的電容循環(huán)執(zhí)行充放電操作時(shí)，電容中會(huì)產(chǎn)生交流電流。后續(xù)的電流平滑電路將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流后，電流輸入到電流振蕩器，轉(zhuǎn)換為頻率和輸入電流成比例的振蕩脈沖。脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)，并保存計(jì)數(shù)結(jié)果。
圖.4 電流數(shù)值化的流程
開(kāi)關(guān)的ON/OFF判定
如[靜電電容的發(fā)生]所述，自電容方式是通過(guò)檢測(cè)靜電電容量的增加來(lái)判斷人體是否接觸電極的。按照一定周期循環(huán)執(zhí)行2.1~2.3章中介紹的靜電電容量的測(cè)量，可以根據(jù)測(cè)量值的變化判定人體是否接觸電極。
手指接近和離開(kāi)電極時(shí)，開(kāi)關(guān)的ON/OFF判定流程如圖5所示。靜電電容量的測(cè)量按圖中所示的時(shí)序每隔一定時(shí)間執(zhí)行一次。計(jì)測(cè)值如圖中藍(lán)線所示，當(dāng)手指遠(yuǎn)離電極時(shí)，保持為一定的計(jì)數(shù)值；當(dāng)手指接近電極時(shí)，靜電電容量和計(jì)數(shù)值逐漸增加。當(dāng)手指再次遠(yuǎn)離時(shí)，計(jì)數(shù)值逐漸下降并保持為一定的數(shù)值。把手指遠(yuǎn)離電極時(shí)的計(jì)數(shù)值作為基準(zhǔn)值（圖中綠色虛線）。在基準(zhǔn)值基礎(chǔ)上疊加一個(gè)閾值，作為臨界值。當(dāng)計(jì)測(cè)值超出臨界值時(shí)，判定開(kāi)關(guān)為ON。當(dāng)計(jì)測(cè)值低于臨界值時(shí)，判定開(kāi)關(guān)為OFF。由此，可以實(shí)現(xiàn)靜電觸摸開(kāi)關(guān)的ON/OFF切換。
此外，改變閾值的大小可以調(diào)整觸摸開(kāi)關(guān)的靈敏度。改變計(jì)測(cè)周期和計(jì)算多個(gè)計(jì)數(shù)值的平均值，可以抑制開(kāi)關(guān)的抖顫，調(diào)整開(kāi)關(guān)的反應(yīng)速度。
圖.5 開(kāi)關(guān)的ON/OFF判定
硬件及軟件抗干擾技術(shù)
靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)是基于靜電電容量的微弱變化而工作的。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量避免噪聲和電源波動(dòng)的影響。
瑞薩電子提供的Touch解決方案，不僅在電容觸摸傳感單元（簡(jiǎn)稱：CTSU）中內(nèi)置了多種噪聲抑制電路，同時(shí)還提供了用于抑制噪聲的軟件濾波器。本章主要介紹CTSU模塊的硬件抗干擾功能和軟件抗噪聲技術(shù)。
硬件CTSU模塊的抗擾度
為了抑制由輻射、傳導(dǎo)引入的噪聲，CTSU內(nèi)置了多種噪聲抑制電路，以穩(wěn)定靜電電容的測(cè)量。以下分別說(shuō)明這些電路的組成及功能。
SCF時(shí)鐘的相移
為了使用SCF將靜電電容量轉(zhuǎn)換為電流量，CTSU按照一定的周期切換SCF開(kāi)關(guān)的ON/OFF狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電容充電/放電的循環(huán)操作。此時(shí)，如果在電極上混入和SCF開(kāi)關(guān)同周期的噪聲，并且噪聲的波峰/波谷與充電/放電期間始終一致，那么電流會(huì)因噪聲相應(yīng)增加或減少，進(jìn)而可能造成測(cè)量無(wú)法正確進(jìn)行。作為解決同周期噪聲的對(duì)策，CTSU內(nèi)置了SCF驅(qū)動(dòng)脈沖的相移電路。通過(guò)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)脈沖的相位，防止驅(qū)動(dòng)脈沖和噪聲的波峰/波谷同相位。相移由多項(xiàng)式計(jì)數(shù)器決定，1次計(jì)測(cè)中，SCF脈沖的相移次數(shù)和180°相移次數(shù)要一致。
同周期噪聲的影響和180°相移對(duì)同周期噪聲的抑制作用，如圖6所示。充電時(shí)如果SCF驅(qū)動(dòng)脈沖和噪聲的波峰同相，噪聲產(chǎn)生的電流分量會(huì)疊加到電流的充放電波形上。此時(shí)，充電電流會(huì)因噪聲而增加，造成計(jì)測(cè)結(jié)果大于實(shí)際容量。如果噪聲產(chǎn)生的容量大于手指接觸所產(chǎn)生的電容增加量，就會(huì)發(fā)生由于噪聲的干擾，即使無(wú)觸摸動(dòng)作，判定結(jié)果卻為ON的誤判。因此，需要按照一定的規(guī)則對(duì)SCF驅(qū)動(dòng)脈沖執(zhí)行180°相移，通過(guò)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)脈沖和噪聲的同步關(guān)系，平衡因噪聲造成的電流量增減。多項(xiàng)式計(jì)算器的次數(shù)和頻率，可以通過(guò)CTSU的寄存器調(diào)整。
此外，位移對(duì)策不僅可以抑制同頻率的噪聲，對(duì)頻率為驅(qū)動(dòng)脈沖頻率奇數(shù)倍的噪聲同樣有效。
圖.6 同周期噪聲的影響和180°相移對(duì)同周期噪聲的平衡化
SCF驅(qū)動(dòng)脈沖的邊沿?cái)U(kuò)散
噪聲頻率是SCF驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的整數(shù)倍時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖的邊沿會(huì)和噪聲同步，對(duì)靜電電容的測(cè)量造成影響。對(duì)于如圖7所示的噪聲，可以利用和驅(qū)動(dòng)脈沖非同步的信號(hào)對(duì)SCF驅(qū)動(dòng)脈沖的邊沿做歸一化處理，擴(kuò)展邊沿頻率。如前所述，將調(diào)制后的電流輸入到ICO for spread spectrum產(chǎn)生歸一化所用的脈沖，可以避免SCF驅(qū)動(dòng)脈沖與噪聲同步（參考圖8）。
圖.7 SCF驅(qū)動(dòng)脈沖和倍頻噪聲的示例
圖.8 通過(guò)擴(kuò)展時(shí)鐘對(duì)SCF驅(qū)動(dòng)脈沖歸一化
軟件對(duì)策
CTSU內(nèi)置的抗干擾電路無(wú)法消除數(shù)kHz以下的低頻噪聲。數(shù)kHz頻域的低頻噪聲需要通過(guò)軟件方法消除。以下舉例說(shuō)明抑制低頻噪聲的軟件對(duì)策。
漂移校正處理
觸摸檢測(cè)的結(jié)果會(huì)受到溫度、濕度、材料老化等環(huán)境變化的影響。這些頻率為數(shù)kHz以下的緩慢變化，很難通過(guò)硬件處理。因此，需要通過(guò)軟件積分的方法抑制這些低頻噪聲的干擾。
漂移校正的工作原理如圖9所示。如前所述，基準(zhǔn)值以及在其基礎(chǔ)上生成的ON/OFF閾值是由軟件計(jì)算生成的。計(jì)測(cè)值和生成的閾值逐次比較，進(jìn)而判定觸摸或非觸摸（ON/OFF）。計(jì)測(cè)值積分運(yùn)算后的結(jié)果取平均值作為基準(zhǔn)值，可以平緩環(huán)境變化對(duì)計(jì)測(cè)值造成的變動(dòng)。變更積分運(yùn)算所用的計(jì)測(cè)值的個(gè)數(shù)，可以調(diào)整對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性。
此外，當(dāng)判定結(jié)果為ON時(shí)，暫停漂移校正處理；當(dāng)后續(xù)的判定結(jié)果出現(xiàn)OFF時(shí)，再重啟漂移校正處理。如果判定為ON時(shí)繼續(xù)執(zhí)行漂移校正處理，長(zhǎng)時(shí)間的觸摸動(dòng)作會(huì)造成基準(zhǔn)值逐漸接近計(jì)測(cè)值，并最終等于計(jì)測(cè)值。這時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)果為OFF的誤判。因此，當(dāng)判定結(jié)果為ON時(shí)，要暫停漂移校正處理，防止結(jié)果誤判。
圖.9 漂移校正處理
隨機(jī)噪聲的對(duì)策
為了抑制隨機(jī)噪聲對(duì)計(jì)測(cè)值的干擾，軟件中增加了對(duì)計(jì)測(cè)值進(jìn)行平滑處理的軟件濾波器。以下通過(guò)實(shí)例對(duì)軟件濾波器進(jìn)行說(shuō)明。
(1)平滑濾波器
平滑濾波器的實(shí)例，如圖10所示。在本例中，使用本次計(jì)測(cè)值及前3次計(jì)測(cè)值（共計(jì)4次）的平均值作為本次檢測(cè)的計(jì)測(cè)值。通過(guò)調(diào)整計(jì)算平均值所用的計(jì)測(cè)值的個(gè)數(shù)，可以抑制不同頻率的噪聲。例如，計(jì)測(cè)周期 = 20ms時(shí)，為了抑制10Hz的噪聲（噪聲周期 = 100ms），需要使用5個(gè)以上的計(jì)測(cè)值來(lái)計(jì)算平均值。需要注意的是，用于計(jì)算平均值的計(jì)測(cè)值個(gè)數(shù)越多，觸摸鍵的反應(yīng)速度越慢。
圖.10 平滑濾波器的示例
(2) 上限濾波器
上限濾波器首先比較本次計(jì)測(cè)值和前次計(jì)測(cè)值。如果二者的差值大于預(yù)先設(shè)定的差值上限，則將前次計(jì)測(cè)值與差值上限之和作為本次的計(jì)測(cè)值。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)爆發(fā)式噪聲時(shí)，計(jì)測(cè)值會(huì)出現(xiàn)劇烈的變化。使用上限濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)計(jì)測(cè)值的作用。通過(guò)限制計(jì)測(cè)值的急劇增減，抑制因噪聲造成的觸摸/非觸摸的誤判。由于上限濾波器削減了噪聲的峰值，因此在抑制噪聲方面，比前面介紹的平滑濾波器更為有效。但同樣需要注意的是，設(shè)定時(shí)縮小差值的上限/下限，會(huì)增加觸摸檢測(cè)的時(shí)間，從而降低觸摸鍵的反應(yīng)速度。
抖顫噪聲的對(duì)策
和機(jī)械觸點(diǎn)型開(kāi)關(guān)相同，使用觸摸鍵有時(shí)也需要消除抖顫。以下說(shuō)明消除抖顫的對(duì)策。
(1) N次一致法
判斷觸摸鍵ON→OFF、OFF→ON的狀態(tài)變化時(shí)，如果連續(xù)N次的判斷結(jié)果均一致，即N次的判斷結(jié)果均為ON或均為OFF時(shí)，判定為ON或者OFF。增加連續(xù)一致的次數(shù)N，可強(qiáng)化抑制抖顫的效果，但會(huì)降低觸摸鍵的反應(yīng)速度。
(2) 多數(shù)一致法
累計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的ON或者OFF的次數(shù)，將次數(shù)多者作為本次的判斷結(jié)果。和上述的N次一致法相比，多數(shù)一致法的判斷速度更快，但去抖顫能力相對(duì)較低。
結(jié)論
利用靜電電容式觸摸檢測(cè)技術(shù)，可以減少機(jī)械部件的使用，降低成本，并可靈活應(yīng)用于各種面板上。電容式觸摸技術(shù)在使用時(shí)需要特別注意抗干擾的處理。分別針對(duì)不同噪聲干擾頻段，結(jié)合使用硬件及軟件抗干擾措施，可以有效提高靜電電容式觸摸檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。
(來(lái)源：電子創(chuàng)新網(wǎng)）
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