电容式接近感应技术在智能手机中的新型应用（二）

数字滤波

　　接近感应要求控制器能够检测到稳定的小信号来提高探测距离，因此控制器需要设置足够长的采样周期来提高信号幅度，同时也需要设置较低的触发阈值来提高灵敏度。灵敏度的提高意味着系统更容易受到噪声的干扰。因此，为了提高整个系统的信噪比，本文对原始信号依次使用了三种有效的软件滤波方法：中值滤波、均值滤波和IIR数字滤波，来滤除噪声。

　　1.中值滤波器

　　对于瞬间出现的单点或连续几点的噪声，中值滤波器可以很好的进行过滤。图8为一个三阶的中值滤波器。可以看出P3点会在采样后，被中值滤波器滤掉。在接近感应的实际应用中，由于采样速率较快往往会出现这样的噪点，中值滤波器可以很好的进行过滤，同时中值滤波器的输出信号也会使得后面的均值滤波器以及IIR数字滤波器的输入信号更加稳定。普通的n阶中值滤波器的时间复杂度约等于n*n，所以其阶数不宜过高，应根据实际的噪声情况进行合理选择。

　　图9对比了实际采集的电容变化信号在使用中值滤波器前后的差异。红色为使用中值滤波器前的信号，蓝色为经过中值滤波器（三阶）的信号。

　　2.均值滤波器

　　均值滤波器则采用了对一组采样数据取平均值得方法来提高信噪比。均值滤波器会使信号的幅值更加稳定，也就会使IIR数字滤波器的输入更加稳定，相位偏差更小。但均值滤波器阶数的增加会使得接近感应的检测响应时间增加。图10对比了信号在使用均值滤波器前后的差异。红色为使用均值滤波器前的信号，蓝色为经过均值滤波器（四阶）的信号。

3.IIR数字滤波器

　　IIR数字滤波器具有反馈，一般认为是无限的脉冲响应。同时IIR数字滤波器的幅频特性精度很高，但相位不是线性的。也就是说在使用IIR数字滤波器的时候会使信号更加平滑，但同时会带来延时，造成整个系统的实时性有所下降。图11描述了IIR数字滤波器的原理。

　　IIR数字滤波器在接近感应的应用中尤为重要，因为接近感应需要极高的灵敏度，所以信号需要十分的稳定和平滑。尽管IIR数字滤波器会对整个系统的响应造成一些延时，但由于资源的限制，软件滤波只能采用这种方式。在图11中，yn = a * yn-1 b * xn，对于系数a和b的选择，本文经过了大量的数据仿真，还在此基础上使用了Cypress专利，实现了动态调整系数a和b，使得整个系统的响应延时得到了明显的降低。

　　图12对比了信号在使用IIR数字滤波器前后的差异。红色为使用IIR数字滤波器前的信号，蓝色为经过IIR数字滤波器的信号。从图中可以明显地看出，经过IIR数字滤波器后的信号变得更加平滑，但同时也产生了一定的延时。

　　信号处理

　　在处理信号的过程中，为了保证更大的信噪比，需要处理好信号与噪声，图13列出了信号与噪声。同时为了保证信号能够适应温度等外界条件的变化，在信号处理中引入了基线这一机制。所有的信号都是以基线为基准，同时基线随着外部环境的变化进行更新。更新的原则是，当信号小于噪声的水平时，基线进行更新，一旦信号大于噪声的水平，基线便不再更新。

　　状态判断

　　在距离感应的实际应用中，由于不同客户有着不同的需求，所以在对于整个状态机的处理需要遵循几个原则：1. 保证检测的可靠性。2. 在各种限定条件下保证检测成功率最高。3. 尽量短的响应时间。

　　总结

　　本文设计的电容式接近感应探测系统具有结构简单、成本低、易于调试和量产等优点，同时在探测距离、反应速度、稳定性等方面也具有较高的性能。该设计在知名客户的智能手机中已经实现大规模量产，探测距离接近17mm， 响应速度的典型值是70ms， 并且通过了严格的ESD、EMC、温度等测试，实现了客户替换IR传感器的目标。