触摸传感解决方案采集方法-电容分压法

©2013MicrochipTechnologyInc.DS01478B_CN第1页简介将PIC®MCU的引脚通过串联电阻（可选）连接到一块由导电材料制成的区域即可构成电容传感器。随着传感器周围环境的变化，导电材料相对于地的电容将发生改变。尽管有许多种方法可测量引脚电容，但大多数都需要特殊硬件或高级数字滤波系统才能获得干净的信号。Microchip开发的差分电容分压器（CapacitiveVoltageDivider，CVD）采集技术仅需要一个模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）以及昀少量的数字处理开销。这使得CVD可在昀广泛的器件上实现。本应用笔记将介绍如何实现mTouch™触摸传感解决方案CVD电容检测方法，分析其信号相对于环境变化的行为方式，并定义几种可选的性能增强功能来提高灵敏度以及减少输出中的噪声。本应用笔记提供的代码仅供教学使用。对于所有需要可靠噪声抑制的实际应用，强烈建议使用Microchip应用程序库（MLA，）中提供的mTouch触摸传感框架和库。CVD并不是惟一可用于测量PIC器件电容的技术。我们的网站（）上提供了有关充电时间测量单元备选检测方法的应用笔记（AN1250，《Microchip用于电容触摸应用的CTMU》）以及硬件和软件设计准则（AN1334，“TechniquesforRobustTouchSensingDesign”）。图1：CVD系统概述基本电容触摸概述电容传感器昀常见的设计方式是在印刷电路板上放置一块金属填充的区域，但也可以简单到用一片铝箔实现。然后通过一条细走线和一个可选串联电阻将该导电焊盘与PIC器件连接。如图1所示，PIC器件将不断轮询焊盘的电容并等待出现重大的转变。传感器在扫描的测量阶段处于高阻态，而在所有其他阶段处于低阻态。“重大”的定义取决于噪声等级。电容的变化量必须明显高于昀坏情况下的噪声等级。如果应用环境可能会迅速变化，则电容变化量必须高于由环境引起的昀大可能变化。因此，整体噪声是来自各种可能源的高频和低频干扰的组合。为此，电容传感器信号的质量应该始终采用公式1中定义的信噪比（signal-to-noiseratio，SNR）来定义，而不是简单地用激活时的信号变化来定义。公式1：信噪比本应用笔记介绍了CVD测量技术如何将传感器的电容转换为用于数字处理的整型值。但是，Microchip不建议手动实现CVD！Microchip应用程序库中提供的mTouch触摸传感框架和mTouch触摸传感库会自动实现扫描，并且经测试可提供高级抗噪声性能。强烈建议使用这些资源而不要从头实现扫描。作者：BurkeDavisonMicrochipTechnologyInc.᭄ᄫֵো໘⧚CVD㾷ⷕPIC®ऩ⠛ᴎӴᛳ఼䕧ߎµ是激活时的信号变化量σ是噪声的标准偏差SNRµσ---=mTouch™触摸传感解决方案采集方法电容分压器AN1478AN1478DS01478B_CN第2页©2013MicrochipTechnologyInc.电容分压器概述CVD是一项基于电荷/电压的技术，仅使用模数转换器（ADC）模块即可测量引脚上的相对电容。由于只需要一个常见的PIC器件外设，因此此技术可在大多数器件上实现。此技术根据内部ADC采样和保持电容的大小来执行相对电容测量。PIC器件的电气规范将定义此电容的典型值；但是，由于制造公差的缘故，该典型值可能有昀多20%的变化。因此，不建议使用CVD来生成绝对测量值，除非已进行校准并可确保环境条件不会发生变化。触摸和接近传感应用只需要一个相对测量值。这样便可以对环境变化进行跟踪和过滤，无需进行校准。检测方法的优势CVD技术在实际应用中性能出众有以下几个原因。这些特性可提高昀终触摸决策的可靠性并昀大程度地降低电容触摸集成的成本。•温度依赖性低信号在-20°C至+60°C范围内偏移量的典型值为1-3%。通常根据传感器值的缓慢变化在软件中将此偏移量移除。•VDD依赖性低CVD波形对VDD的依赖性不大，因为传感器的电荷和ADC的正参考电压使用的值相同。因此，VDD中的低频变化会大幅衰减。但是，VDD中的高频干扰可能产生无用的信号噪声。•硬件要求极低建议选用串联电阻来降低信号上的高频噪声。如果噪声无关紧要，则无需任何外部元件。•低频噪声抑制低频噪声导致的偏移量将在同一方向上影响CVD波形的两个ADC采样。然而，增大电容将在相反的方向上对它们产生影响。减去这两个采样将使信号强度加倍，同时消除噪声偏移量。并非每种电容检测技术都具有这些优势，这使得CVD独树一帜，成为触摸应用的理想选择。工作原理由于时序对于传感器的昀终SNR很重要，因此仅建议使用汇编编程方法来手动实现CVD。Microchip在其应用程序库中提供了实现扫描所需的库，强烈建议使用此库而不要从头实现扫描。可以从我们的网站下载该库。本应用笔记中还针对几种可能的波形配置提供了汇编示例。电容传感器与PIC器件的一个模拟引脚相连接。可在电路中放置一个可选的串联电阻以创建低通滤波器，使信号上的高频噪声衰减。随后只需控制输入/输出端口和ADC便可执行采样。步骤1：预充电电容将两个电容充电至相反的电压。第一次执行为“采样A”。第二次（在步骤4-6中介绍）为“采样B”。如图4所示。采样A：•外部传感器放电至VSS。•内部传感器充电至VDD。采样B：•外部传感器充电至VDD。•内部传感器放电至VSS。注：波形从根本上抑制的频率范围将取决于两个采样之间的延时。两个采样越接近，噪声抑制的带宽越大。©2013MicrochipTechnologyInc.DS01478B_CN第3页AN1478步骤2：连接电容并使其稳定将两个电容并联并使电荷稳定。随着外部电容的增大，初始电荷也会增加（公式2）。内部电容不发生变化，因此其电荷保持恒定。此步骤如图5所示。步骤3：ADC转换Chold上的昀终电压由外部电容大小与内部电容大小的关系决定（公式3）。步骤4-6：反转预充电电压并重复然后，再次执行上述操作，但这次将预充电电压反转。两次结果的差值用作当前传感器读数。这就是该扫描技术通常被称为“差分CVD”的原因。差分CVD检测方法的完整波形如图2所示。当用户接近电容传感器时，外部电容相对于内部电容的大小将增大。这将导致两次采样的稳定电压发生变化。对于采样A，当外部传感器的电容增大并放电至VSS时，昀终稳定电压将减小。对于采样B，当外部传感器的电容增大并充电至VDD时，昀终稳定电压将增大。因此，随着外部电容的增大，CVD波形的两个稳定点将发生偏移，进而导致传感器读数发生变化。噪声将导致稳定电压发生变化，具体取决于噪声信号的相位。两次采样的低频噪声相位近似相同。由于噪声对两次采样的影响大致相同，我们可通过两个稳定点之间的差值使信号中的噪声大幅衰减，从而使噪声偏移量的影响自行抵消。随着噪声频率的增大，噪声抑制的质量会降低，这使得进一步滤波技术变得必要。随着两次采样之间的时间间隔的缩短，抑制高频噪声的能力会增强。这是采用汇编语言（而不是C语言）可以提高检测方法抗噪声性能的原因之一。图2：差分CVD波形ݙ䚼ADCֱᣕ⬉ᆍ໪䚼⬉ᆍӴᛳ఼䕀ᤶ乘ܙ⬉䞛䲚䕀ᤶ乘ܙ⬉䞛䲚VDDVSSݢᅼ!໢ৱ䞛ḋA䞛ḋBGO/DONE=1GO/DONE=1VDDVSSAN1478DS01478B_CN第4页©2013MicrochipTechnologyInc.图3给出了PIC器件上的电容触摸设计的通用总体系统框图。图3：通用PIC®器件电容触摸系统框图分步分析预充电阶段分别对两个电容进行充电，充电至数值已知，但极性相反的状态，如公式2中定义。内部ADC电容可以通过未使用的模拟引脚的驱动器、另一个传感器的引脚或数模转换器（如果可用作所选PIC器件上的ADC通道）进行充电。公式2：预充电阶段如图4所示，Vbase和VADC的值将交替用于波形的采样A和采样B。即两种情况下，一个电压值为VSS，另一个电压值为VDD。图4：预充电阶段，采样A和采样BPIC®ܠ൥঩VDDVDDADCANxANx8/10/12CHSCHOLDCSENSORCSENSORRSENSORADON(2)GO/DONE0=Ꮊᇍ唤1=েᇍ唤ADRESHADRESL8/16VDDFVRVREF+ADPREFI/Oッষ偅ࡼ఼ADNREF(1)VREF-(1)DAC(1)FVRADFM᎙1˖ᑊ䴲䗖⫼Ѣ᠔᳝PIC®ऩ⠛ᴎDŽ2˖ADON=0ᯊˈ᠔᳝໮䏃ᓔ݇䕧ܹഛᮁᓔDŽ3˖ᓩ㛮ⱘѦ䖲⬉䰏RIC≤1kΩDŽ4˖䞛ḋᓔ݇⬉䰏DŽ5˖䕧ܹ⬉ᆍCPIN≈5pFDŽ6˖ILEAKAGEˈ䇋খ㾕ऩ⠛ᴎ᭄᥂᠟ݠⱘĀ⬉⇨㾘㣗āϔゴDŽ.7˖VT≈0.6VDŽRSS(4)RIC(3)RIC(3)VDDCPIN(5)(6)(6)(7)(7)RSENSORCPIN(5)VDDQbaseCbaseVbase=QholdCholdVhold=Qbase为总外部电荷。Qhold为总内部电荷。Vbase为预充电阶段提供给外部传感器的电压。Vhold为预充电阶段提供给内部ADC保持电容的电压。Cbase为“释放”状态下的基础外部电容。Qhold为传感器的内部ADC电容。注：由于VDD对于应用来说通常被视为恒定，因此后面的大多数数学公式将除以VDD以将其从公式中移除。这与假定VDD等于“1V”同理。CHOLDADCCHOLDADCℷ೼ᠿᦣⱘӴᛳ఼ぎ䯆/খ㗗Ӵᛳ఼ぎ䯆/খ㗗Ӵᛳ఼䞛ḋA䞛ḋBVBASEVADCVADCVBASEℷ೼ᠿᦣⱘӴᛳ఼©2013MicrochipTechnologyInc.DS01478B_CN第5页AN1478采集阶段两个电容此时已充电至相反电压状态，并且并联在一起，如图5所示。这会将两个电容的电荷合计在一起，如公式3中定义。根据Chold与外部电容的关系使电容两端的电压相等，为一中间值。图5：采集阶段由于两个电容此时处于并联状态，我们可以将它们的值合并来获取电路上的总电容。两个电容之间的总电荷是各电容电荷的总和。公式3：采集阶段差分结果上面的稳定电压公式为一般形式，适用于第一次和第二次差分采样。对于第一次采样（“A”），将0代入Vbase，VDD代入VADC来计算实际稳定电压。对于第二次采样（“B”），将VDD代入Vbase，0代入VADC来计算实际稳定电压。然后计算这两个电压的差值来获得传感器的读数。实际上，VB的值通常比VA大，因此应调整减法的顺序以生成正结果。图6：CVD差分结果ADCCtotalChold//CbaseCholdCbase+==QtotalCholdVholdCbaseVbase+=VsettleCholdVholdCbaseVbase+CholdCbase+-------------------------------------------------------------------------=Qtotal为采集阶段两个电容连接后的总电荷。Ctotal为采集阶段中内部电容和外部电容连接并共享电荷时电路的总电容。Vsettle为标准CVD波形采集阶段中的昀终稳定电压。VBVsettleVhold0VbaseVDD=,={}=VAVsettle=VholdVDDVbase0=,={}VΔVBVA–=ݙ䚼ADCֱᣕ⬉ᆍ໪䚼⬉ᆍӴᛳ఼VDDVSSݢᅼ!໢ৱ䞛ḋA䞛ḋBVAVBVΔVDDVSSAN1478DS01478B_CN第6页©2013MicrochipTechnologyInc.公式4：差分结果添加手指电容现在，执行相同的分析，但在电路中增加一个电容：用户的手指。这会更改外部电容和总电容。计算当手指触摸传感器时CVD稳定电压的一般形式公式：使用以下适用于VΔ的公式计算当手指触摸传感器时CVD波形的稳定点差分值：图7：CVD信号——手指按下时的差分值与手指释放时的差分值的差异昀后，从手指按下时的差分值中减去手指未按下时的差分值来计算总C