电容式触摸感应的技巧

调整传感器
      
每次在上列程序中调用函数CSR_1_StartScan( )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。每个按钮的基线值均为一个由IIR 滤波器采用软件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由于温度和其他环境影响而在系统中引起的漂移。开关差分阵列CSR_1_iaSwDiff[]包含消除了基线偏移的原始计数值。按钮目前的ON/OFF 状态采用开关差值来决定。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 示出了采用固件来实现的差分计数与按钮状态之间的转移函数。该转移函数中的迟滞提供了ON 和OFF 状态之间的干净转换，即使计数是有噪的也不例外。这提供了一种针对按钮的除跳功能。较低的阈值被称为“噪声阈值”，而较高的阈值则被称为“手指阈值”。阈值水平的设定决定了系统的性能。在覆盖物非常厚的场合，信噪比很低。在此类系统中设定阈值水平是一项具有挑战性的工作，而这恰好是电容式触摸感应技巧的一
部分。



       图7 示出了一个持续时间为3 秒的按钮触压操作的理想化原始计数波形。针对本项目的阈值水平示于此图。噪声阈值被设定为10 个计数，而手指阈值被设定为60 个计数。为了清晰地显示阈值水平，图8 并未示出始终存在于实际计数数据之中的噪声分量。



      
电流源DAC 的电流水平选择和用于计数累加的振荡器周期数的设定是调整过程的一部分。在固件中，函数CSR_1_SetDacCurrent(200,0)把电流源设定在其低电流水平范围内，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：该系统具有一个约15pF 的寄生走线电容CP 和一个0.5pF 左右的手指电容CF。手指使总电容产生了约3%的变化。每个原始计数值的采集仅需500μs 的时间（每个按钮）。
测量性能
     
电容式触摸感应系统的测量性能示于图8。差分计数通过一个终端仿真程序在主PC 上捕获，然后借助电子制表软件加以绘制。手指放置在10mm 厚的玻璃覆盖物上，并持续3 秒的时间。按钮的ON/OFF 状态被叠加在原始计数上。按钮在这两种状态之间干净地转换，即使存在因通过厚玻璃进行检测而产生的比较嘈杂的原始计数信号时也是如此。请注意手指和按钮阈值是如何随着基线的漂移而进行周期性调整的。当检测到手指的触压动作时，基线值将锁定其数值，直到手指移开为止。



        图9 和图10 示出了每种状态转换的细部视图。在图9 中，按钮状态一开始为“OFF”（关闭）。超过手指阈值的差分计数的第一个采样把按钮状态转换至“ON”（接通）。在图10 中，利用低于噪声阈值的差分计数的第一个采样将按钮转换至OFF 状态。





      

与机械式开关相比，基于电容的触摸传感器的主要优点是耐用性好，不易损坏。混合信号技术的近期发展不仅使得触摸式传感器的费用降到了一个经济划算的水平（故可在各种消费类产品中实现），而且还提高了检测电路的灵敏度和可靠性（因而增加了覆盖物的厚度和耐用性）。利用本文介绍的设计方法，即可通过一个10mm 的玻璃来检测手指对按键的触压，并借助基于噪声阈值和手指阈值的除跳法实现了ON 和OFF 按钮状态之间的干净转换，从而令电容式触摸传感器成为机械式开关元件的一种实用型替代方案。