电容式接近传感器—零成本升级你的系统！

用户界面（UI）实施在过去几年间不断演进发展。系统设计人员若为实现电容式用户界面添加电子元件，就能开发出极富差异化功能的系统。在大多数系统中，按钮和旋钮正被电容式触摸按钮和滑条所取代。这种用户界面为系统添加了一种额外组件，即也可用于实现接近感应的电容式感应控制器。在用户界面中集成接近传感器可实现独特的用户体验，同时降低总体系统功耗。俗话说，“天下没有免费的午餐”，但是接近感应确实可以在不增加任何成本的情况下在大多数系统中实施。为系统用户界面添加接近传感器有两个优势：
● 根据手与面板的接近程度来控制触摸板和显示屏背光LED
● 根据手与面板的接近程度来控制按钮和滑条的扫描速率
背光控制 – 为触摸板和显示屏添加背光LED非常重要，这样消费者就能在黑暗中操作设备。背光LED如果持续开启会耗用大量电流。部分系统使用环境光传感器来检测光亮度，并相应控制背光。但是，当用户不持续使用系统时，就不需要阅读按钮和显示屏上的图标，这时用于点亮屏幕的电能就会被浪费掉。一种降低功耗更为高效的方法是，用户在任何时候需要操作设备时都可控制背光LED。此外，当手接近控制面板时打开背光LED还能优化用户体验。如果背光LED持续点亮，不仅很烦人而且还会分散消费者的注意力。
可将接近感应功能用于进行手部接近检测。如果手进入范围内，则背光LED被打开。例如，图1(a)显示了手未进入接近检测范围时触摸板的状态。当手接近该面板时，电容式接近传感器就会检测到它的存在，并由固件打开背光LED，如图1(b)所示。很多应用都可以通过接近传感器来控制背光LED，如家用电器、笔记本电脑以及手机按键等。


图1(a)：手未进入接近范围时的触摸板


图1(b)：检测到手指接近时触摸面板的背光LED点亮

扫描速率控制 － 在电容式感应控制器中，功耗与给定时间内所扫描传感器的数量成正比。如果能减少所扫描的传感器数量，功耗就会随之降低。低功耗不仅对于手持式应用来说至关重要，而且对于市电供电的应用来说也是如此，都需要确保节省电量以达到绿色环保标准。如果需要扫描的传感器数量减少，控制器就可以在休眠模式下保持更长的时间。在用户界面中，只有在手靠近面板时才能触碰按钮，因而可以使用接近传感器且仅对该传感器进行定期扫描。当控制器检测到手处在设备的临近区域内时，才会开始扫描剩余的传感器。否则，控制器在扫描完接近传感器后会进入休眠模式。
从上述介绍的例子中不难看出，在这些应用中检测手与面板的绝对距离并不重要，唯一的系统要求是检测出可确保在手接近触摸板时系统能以足够快速度做出响应的最小距离。该距离取决于传感器设计以及所采用的电容式感应控制器。
        
接近感应的基础知识
实施电容式感应的方法多种多样，但大体上可分为两类：自电容和互电容。不同的制造商采用不同的算法来实施这些方法。
互电容 – 基于互电容的实施方案是采用两个传感器导体片，并测量它们之间的互电容。这种实施方法的接近检测范围非常狭窄，无法满足实际使用需求。互电容检测的可靠距离通常小于5cm，甚至可能低至1cm。由于检测范围狭小，需要接近传感器的应用很少采用这种方法。
自电容 – 这种实施方案采用单个传感器，并测量它的系统对地电容。自电容方法可以检测的接近范围较宽泛。本文在下面几节将以赛普拉斯CapSense控制器中所采用的CSD（CapSense Sigma Delta）算法为例来对自电容实施方法进行探讨。该算法在PSoC器件中实施，能检测高达30cm的接近范围。
为了理解接近传感器的实施，我们首先需要了解电容式感应的基本知识。如果我们观察电容式感应系统，传感器电容在手指没有接近的情况下会呈现出图2所示的状态。这时的电容被称为寄生电容（Cp）。当手指近传感器时，会改变传感器电容。这时会产生与Cp并联的另一电容，称为手指电容（Cf）。因此在手指接近时，传感器的总电容（Cx）可通过方程式1得出。
Cx = Cp + Cf ---- 方程式1


图2：手指未接近时的传感器电容


图3：手指接近时的传感器电容

传感器电容（Cx）可通过图4所示的原理方块图来测量。


图4：用于电容测量的预处理电路

该系统是一种开关电容器实施方案，其中将传感器电容Cx仿真为电阻Req。电流数模转换器（IDAC）连续为Cmod充电，直到Cmod上的电压超过Vref为止，同时比较器输出为高电平。然后断开IDAC，Cmod通过Req放电，直到Cmod上的电压降低到Vref以下为止。当Cmod再次充电到Vref时，比较器输出为低电平。如果由于手的接近使Cx值增加，那么根据方程式2，仿真Req的值将变小。
Req = 1/FsCx ---- 方程式2
在方程式2中，Fs是开关电容器模块的开关频率。
这样，Cmod放电速度越快，比较器输出高电平的时间就越短。这就意味着更高的电容值会使比较器的高电平输出时间变短。比特流在固定的时间内被馈送至计数器。计数器的值能反映出Cx的幅度。该计数器值被称为原始计数量。计数器计数所用的总体固定时间被称为分辨率，也能决定原始计数量。当分辨率增加时，计数器计数的时间变长并增加原始计数量。
        
接近传感器的实施
接近传感器的接近检测范围由它的电力线决定。只有当手在接近过程中切断传感器的电力线时，才能引起电容变化。给定点的电通密度会决定手的接近所引起的电容变化量。给定点的电力线越多，手切断电力线所造成的电容变化也就越大。为了获得更大的接近检测范围，就要求使用大型传感器来提供更高的电通密度。
接近传感器的实施方法有多种：
● 导线
● PCB线迹
● 连接现有的按钮和滑条
导线 – 导线是实施接近传感器的最佳方法，因为它能实现最大的检测范围。使用导线可能会在制造组装阶段带来难题。检测范围与导线长度成比例。
PCB印制线 – 这种实施方法能在提供恰当的检测范围和易于实施方面获得最佳平衡。可将接近传感器与按钮和滑条一起设计在PCB板上。该传感器的形状与其他传感器相比大相径庭。为了达到更大的检测范围，电力线的环路区域必须要大。接近检测范围与环路尺寸呈正比关系。因而，接近传感器必须形成一个围绕所有电容式感应按钮的环形，如图5所示。


图5：PCB上的接近传感器

传感器共连 – 按钮和滑条部分一般通过模拟多路复用器总线（有时被称为AMUX总线）连接至电容测量系统。如果控制器允许所有传感器同时连接到AMUX总线，那么所有传感器就会短路，这会增大传感器的总面积，并使它们成为单个传感器。随着传感器面积变大，其会产生更高的寄生电容，而且根据传感器数量和传感器大小情况，接近检测范围可能仅有几厘米。
        
接地层/金属物体的影响
如前所述，接近检测范围取决于给定点的电通密度。为了确保实现最大的检测范围，要求电力线尽可能实现最长的布线距离。然而系统中存在两大会造成传播距离变短的因素。这两大因素是：
● PCB上的接地层
● 设备的金属壳体
PCB上的接地层 – 图6显示了PCB上电容式感应按钮的典型布局类型。


图6：电容式感应按钮的PCB

在图中可以看到，按钮被网状的接地层包围。接地层有助于增强抗干扰能力。网状图案可用于保持传感器的寄生电容处于极低的水平。顾名思义，大多数实施方案中的这种网状结构都接地。较近的地电位距离按钮可以让电力线不用走很长距离就能与地电位融合。对于按钮和滑条来说这样做没有问题，由于这种情况下手指与传感器的距离非常近，因而电力线不需要很长距离的走线。
当使用相同的方法将接近传感器在相同的PCB上进行实施时，根据上面的阐述，结果会显而易见。图5显示了接近传感器的相应实施方法。图4与图6的主要区别在于用保护电极替代网状接地。保护电极是实施接近传感器的关键。

        
保护电极
驱动保护电极的信号就是用于驱动传感器的信号。保护电极与PCB上包围传感器的交叉网格（Hatched Pattern）相连。由于交叉网格与接近传感器之间没有电位差，因此电力线不会受到影响。进行PCB布局的同时需要重点考虑的事项之一是交叉网格的电容。受保护电极驱动的限制电容值取决于控制器。
设备的金属壳体
如果设备使用的是金属壳体或者需要安装在靠近金属物体的位置，那么接近传感器的实施过程就可能是个挑战。图7显示了传感器安装在靠近金属外壳时的电力线。


图7：传感器的放置位置靠近金属

如图所示，大部分线路都流向地电位。从理论层面上讲，解决办法是避免电力线走向金属物体。这可通过在金属外壳与接近传感器之间放置保护电极来实现。如图8所示，接近传感器被放置在PCB的顶层，而且保护电极则被放置在底层。


图8：带保护电极的双层PCB

当保护电极位于金属与传感器之间时，可以减少金属对传感器的影响。而这种防干扰效果与PCB和金属外壳之间的距离成正比。如果PCB的位置距离金属外壳较远，那么效果就会更好。
推荐针对电容式感应按钮使用双层PCB，以实现所需的抗干扰性能。但是，有些系统必须使用单面PCB且可以用导线来实施接近感应，这种情况下可将保护电极置于顶层并位于导线的下面，如图9所示。


图9：将导线作为接近传感器的单层PCB

        
接近传感器的固件
接近传感器的扫描时间通常大于触摸按钮，原因之一在于它们具有非常高的寄生电容。大电容器需要更长的充放电时间。手引起的电容变化相对于寄生电容来说非常小，因此很难检测到它的存在。另外，接近检测是手与传感器有一定距离时候进行检测，传感器电容的变化值很小。因此电容感应系统需要具备更高敏感度才能测量这一微小变化。为了提高敏感度，接近传感器的分辨率必须非常高且需要更长的扫描时间。例如，12位的分辨率对于按钮来说可能已足够好，但对于接近传感器来说可能就要使用16位分辨率。就接近感应而言，建议使用器件所支持的最高分辨率。然而，采用高分辨率也会让系统对噪声更加敏感。另外，由于手接近引起的电容变化非常小，如果系统中的噪声非常高，这一变化就很难检测到。建议为从电容感应系统接收到的原始计数使用某种特定类型的滤波器，并在固件中实施这些滤波器。IIR滤波器不仅易于实施而且响应性能良好。方程式3表明了IIR滤波器的实施方法，图10则是实施方法的图形化表示。
yn = b*yn-1 + a*xn, 其中b = 1 – a ----（方程式3）
在该方程式中，‘yn’是滤波器的输出，‘a’和‘b’是滤波器系数，‘xn’是电流输入，‘yn-1’是上次的输出。


图10：用于接近传感器的IIR滤波器

滤波器有助于消除噪声但也会降低响应速度。当手接近触摸板时，需要一定时间才能在滤波器的输出端看到相同结果。将滤波器的系数‘a’的值调高可以确保更快的相应性，但这会降低滤波效果。可以在固件中加入附加条件，用以检测原始计数中的明显变化。如果原始计数的变化非常明显，就可以在一些样本中忽略滤波器的输出。
接近传感器的一个简单特性是在电容式系统中添加接近传感器功能可以提升系统性能和用户体验。接近传感器可通过用于触摸式按钮和滑条的电容式感应控制器来实施。基于自电容的电容式感应系统与基于互电容的系统相比可提供更长的接近检测范围。就实施而言，接近传感器可使用导线、PCB线迹或者连接按钮和滑条的方式来实施，但将导线作为接近传感器的效果最佳。保护电极是一种交叉网格，可连接用于驱动传感器的相同信号。保护电极必须紧挨着传感器而不是地电位。当需要将接近传感器放在临近金属外壳的位置时必须特别注意。保护电极有助于消除金属物体的影响。为了达到令人满意的接近检测范围，必须选择可支持保护电极电容式感应处理器和恰当的电容式感应方式。需要为系统添加滤波器才能确保获得良好的信噪比。IIR滤波器很适合这一要求而且能够在固件中实施。
关于作者
Sachin Gupta现任赛普拉斯半导体公司可编程系统业务部（PSD）的高级应用工程师。他毕业于印度德里洲际大学（Guru Gobind Singh Indraprastha University），获电子与通信专业学士学位。Sachin Gupta的电子邮件为：sgup@cypress.com。