电容式触摸传感器的应用设计技巧与分析

3 调整传感器

每次调用上列程序中的调用函数CSR_1_Start()时，均对Button1的电容进行测量。原始计数值被存储于CSR_1_iaSwResult[ ]阵列中。用户模块还跟踪一个用于原始计数的基线。每个按键的基线值均为一个由软件中的IIR滤波器进行周期性计算的平均原始计数值。IIR滤波器的更新速率是可编程的。基线使得系统能够适应于由于温度和其它环境影响而引起的系统中的漂移。开关差分阵列CSR_1_iaSwDiff[ ]包含消除了基线偏移的原始计数值。利用开关差值来决定按键目前的开/关状态。这可使系统的性能保持恒定，即便在基线有可能随着时间的推移而发生漂移的情况下也是如此。图6显示了固件中实现的差分计数与按键状态之间的转移函数。

                                      图6：差分计数与按键状态之间的转移函数

该转移函数中的延滞带来了开关状态之间的快速转换，即使计数是有噪声的情况下也不例外。同时这还给按键带来了一种反跳功能。低门限被称为“噪声门限”，而高门限则被称为“手指门限”。门限水平的设定决定了系统的性能。当覆盖层非常厚时，信噪比很低。在此类系统中设定门限水平是一项具有挑战性的工作，而这恰好是电容式传感设计技巧的一部分。

图7展示了一个持续时间为3秒的按键触压操作的理想原始计数波形。

                                   图7：将门限水平绘制在一个去除了基线的原始计数图上

噪声门限被设定的计数值为10，而手指门限设定的计数值则为60。实际上，在实际计数数据中噪声分量是始终存在，图中没有显示是为了能清晰地显示门限水平。

部分调整过程还包括选择电流源DAC的电平以及设置用于计数累加的振荡器周期数。在固件中，函数CSR_1_SetDacCurrent(200, 0)把电流源设定在其低电流范围内，数值为200(最高255)，大约对应于14μA。函数CSR_1_SetScanSpeed(255)把振荡器周期数设定为253(255－2)。原始计数和差分计数的分析表明：该系统的寄生引线电容CP约为15pF而手指电容CF约为0.5pF。可见，手指电容使总电容产生了约3%的变化。对于每个按键，每个原始计数值的采集所需要的时间仅为500μs。

4 测量性能

电容式传感系统的性能测量结果示于图8中。

                                 图8：通过10mm玻璃进行检测时传感器的性能测量结果

差分计数是通过主PC上一个终端仿真程序获得，然后借助电子制表软件绘制而成的。将手指在10mm厚的玻璃覆盖层上按压3秒。按键的开关状态会被叠加在原始计数上。按键在这两种状态之间快速转换，哪怕是由于通过厚玻璃进行检测而使原始计数信号中具有较大的噪声时也是如此。请注意手指和按键门限随着基线的漂移而进行周期性调整。当检测到手指的触压动作时，基线值将锁定，直到手指移开为止。

图9和图10显示了两种状态转换处的局部细节图。

                                    图9：向“开”状态转换时的局部细节图

                                     图10：向“关”状态转换时的局部细节图

在图9中，按键最初处于为关闭(OFF)状态。超过手指门限的差分计数的第一个采样把按键状态转换至通(ON)状态。在图10中，低于噪声门限的差分计数的第一个采样将按键转换至断状态。

电容式触摸传感器与机械式开关相比的主要优点是长期使用时不易损坏。混合信号技术的最新发展，不仅让触摸式传感器的成本在各种消费类产品中降到了具有成本效益的水平，还提高了检测电路的灵敏度和可靠性(因为增加了覆盖层的厚度和耐用性)。利用本文介绍的设计方法，可以检测到手指在一个10mm玻璃上的按压，并通过基于噪声门限和手指门限的反跳法，来实现按键开关状态之间的快速转换，从而使电容式触摸传感器成为可替代机械式开关元件的一种实用方案。