CW32 電容式觸摸按鍵設計指南-電子發燒友網

前言

CW32 電容式觸摸按鍵設計指南向客戶提供一種利用 CW32 內部資源結合軟件編程實現電容式觸摸按鍵有效觸摸檢測的方法。本指南的內容重點在于工作原理、軟件檢測過程以及調試指引。

利用芯源半導體的 CW32 系列小規模 MCU 的 IO、比較器、定時器、高速高精度內置 RC 時鐘源以及高算力等功能，通過檢測電路端子電容的微小變化和波動，實現電容式觸摸按鍵功能。其外圍電路簡單，占用資源比例不高，非常有利于用戶在節約 BOM 成本的前提下拓展功能。結合適當的工業化設計，觸摸按鍵比接觸式按鍵更美觀、耐磨的同時，還具有防水、抗干擾、壽命長等多種優勢。

通過本文，您會了解到如何利用內置電壓比較器和內置定時器及軟件配合，實現靈活方便的按鍵檢測。本文在介紹標準演示板（如下圖）和演示軟件的性能參數的同時，還會給出詳細的調試建議以及設計參數選擇傾向分析，用以幫助客戶快速而自信地完成設計并實施調試。

1、電容觸摸檢測基本原理

獨立于電路的金屬部件都能夠作為電容觸摸傳感器使用，其原理在于金屬部件附近存在手指時，相當于增加了金屬部件對地的旁路電容。因此，利用 CW32 系列 MCU 的 IO 口對金屬部件充電，并檢測電容放電時間的變化，理論上能夠辨別金屬部件附近是否存在手指按壓動作。當無手指存在時，金屬部件的電容為 Cp，其放電時間為 t1；當存在手指時，增加的旁路電容為 Cx，此時的放電時間為 t2，如下圖所示，可以看出兩者之間的放電時間是不一樣的：

2、基于 CW32F003 的觸摸按鍵方案簡介

由于 CW32F003 集成了電壓比較器 VC 和定時器，因此觸摸按鍵方案可以通過軟件來實現，其實現的原來框圖如下所示：

其過程如下：

1.GTIM 配置為門控計數方式，計數源為芯片內部的 PCLK 時鐘。

2. VC 比較器的同相端配置為按鍵的接口，反相段配置為參考，參考的來源為芯片的 VCC 通過內部電阻網絡分壓得到，VC 比較器輸出極性不反轉。

3. GPIO 口配置為數字輸出，輸出高電平對電容充電。由于電容容值比較小，充電電流較大（圖中紅色箭頭所示），電容上的電壓很快達到 VCC。

4. GTIM的計數器 CNT清 0，GPIO口配置為輸入高阻態，電容上的電荷基本通過 R泄放（圖中藍色箭頭所示），需要一定的時間，此時電容上的電壓要比 VC 比較器的反相端的電壓高，VC 輸出高電平，是 GTIM 的門控信號有效，GTIM 進行計數。

5. 當電容上的電壓降低到比 VC 比較器的反相端的參考電壓低時，VC 輸出低電平，GTIM 停止計數，同時 VC 比較將產生一個中斷信號，此時讀取 GTIM 的 CNT 的計數值，和判決門限比較可以判斷是否發生觸摸按鍵的事件。如下圖所示：

3、電容觸摸檢測電路軟件過程

在范例程序中，軟件定時（用定時器中斷實現）對每個被測 IO 充電并檢測放電時間 N 次，N 次循環檢測后，將統計結果提交濾波器狀態機，得到按鍵當前狀態。每次檢測的具體過程如下：

1. 將 IO 口置高 2 個機器周期，此時金屬部件及電容 C 對 GND 的電壓被充高到 VCC。

2. 將 IO 口配置為電壓比較器輸入模式，此時 IO 口狀態切換為高阻輸入狀態，金屬部件及電容 C 通過對 GND 的旁路電阻 R 放電，端子電壓變化曲線為標準的 RC 放電曲線。

3. 軟件記錄循環定時器（GTIM 最高主頻運行）的當前值，并等待電壓比較器的輸出翻轉（電壓比較器被配置為與某電壓門限比較）。

4. 電壓比較器輸出翻轉后立即記錄循環定時器當前值，并結合前次記錄的時間記錄輸出結果。觸摸檢測過程的相關代碼如下：

uint32_tTouchKey_GetValue(uint8_tkey,uint8_tref)
{
uint32_tCurTime;
//VC1切換通道
CW_VC1->CR0_f.INP=key;???//設置按鍵通道
CW_VC1->DIV_f.DIV=ref;????//設置按鍵比較的參考比例
//獲取放電時間
CW_GPIOB->DIR =~((1UL<<8)>>key);??//按鍵端口輸出，對電容充電
__NOP();
__NOP();
CW_GTIM->CNT=0x0000;????????//計數器清零
CW_GPIOB->DIR|=((1UL<<8)>>key);???//按鍵端口輸入高阻
while((CW_VC1->SR_f.FLTV)==1);?????//等到放電到比較點
CurTime=CW_GTIM->CNT;????????//獲取放電時間
returnCurTime;
}

4、觸摸參數及選型傾向

為了保證檢測流程順利執行，需要選擇每一個觸摸按鍵的基礎電容 C 和放電電阻 R 以及比較器參考門限 V。DEMO 中，這三個參數一般為 C=4.7pF，R=51KΩ，V=9/64 VDD。

C 和 R 的值，以及比較器參考門限 V 均可根據實際電路測試結果進行調整，調整考量如下：

1. C 的容量增加會令放電時間更長，在檢測程序中將會需要更多的機器周期等待比較器翻轉。

2. C 的容量增加會顯著增強電路穩定性但對檢測靈敏度沒有大的影響。

3. R 的阻值增加會令放電時間更長，在檢測程序中將會需要更多的機器周期等待比較器翻轉。

4. R 的阻值增加會降低電路穩定性（高阻易受環境干擾）但對檢測靈敏度有明顯幫助。

5. 比較器參考門限 V 過高會降低檢測靈敏度，但能節約檢測時間。門限 V 過低會削弱抗干擾能力并浪費檢測時間。

5、調試指引及性能參考

5.1 示例軟件框架介紹

示例軟件占用 1 個基本定時器，利用定時中斷并在中斷服務程序中執行按鍵檢測過程、定時周期 10 毫秒。每次進入中斷服務程序后，順序掃描 M 個觸摸按鍵的 RC 響應。

順序掃描 N 次后，將 RC 響應結果數據提交濾波器狀態機。