MCU電容式觸摸感應技術原理詳解

轉自 | 瑞薩嵌入式小百科

觸摸按鍵現在越來越流行了，很多家具家電都帶有這個功能。

早期，觸摸芯片是一種功能單一的專用芯片，現在很多MCU都帶有觸摸功能。

本文就結合瑞薩MCU（比如RL78/G23、RX140、RX130、RA2L1、RA2E1等多個系列）給大家講講MCU電容式觸摸感應技術原理，它們通過硬件實現了第二代瑞薩電容式觸摸感應技術（簡稱CTSU2）。

CTSU2除了支持Button、Slider、Wheel等傳統的觸摸方式之外，還能夠執行觸控界面的接近式傳感、快速并行掃描、自動掃描、多電極連接，從而實現觸摸板、3D手勢識別等高級應用。

下面簡要介紹瑞薩電容式觸摸感應技術CTSU2的自容式和互容式檢測原理。

自容式

1、自容式概述

圖1-1所示為電極中產生的自電容。自電容式按鍵中連接到電容傳感器的單個電極將測量電容量C。C的值是由電極及其周圍導體形成的寄生電容Cp和由電極及手指形成的寄生電容Cf的復合值。電容的大小可以通過電容方程式計算（參見Note部分）。由于周圍的器件是靜態的，因此Cp是常量，但Cf會隨著手指的靠近而增加。通過設置Cf增加量的閾值，可以確定觸摸按鍵是處于“打開”還是“關閉”狀態。請注意，如果手指直接接觸電極，則會導致電極短路，并且無法再測量電容。通常，電極和手指之間有幾毫米厚的覆蓋面板。

Note

C：電容，ε：相對介電常數，S：電極的正對面積，d：電極間距

圖1-1 電極中產生的自電容示意圖

2、CTSU2自容式檢測原理

圖1-2所示為自電容方式的CTSU2內部配置概覽。CTSU2輸出一個與所連接電極的電容量C成正比的數字計數值，并通過軟件確定觸摸按鍵是處于“打開”還是“關閉”狀態。連接到CTSU2時，電極會充當由傳感器驅動脈沖控制的開關電容，并從充放電電流來估測C的電容。CTSU2測量模塊具有電流-頻率轉換功能，輸入與充放電電流等效的電流，并輸出與電流量成比例的頻率。

圖1-2 自電容CTSU2內部配置概覽

圖1-3所示為CTSU2測量結果的示意圖。當傳感器驅動脈沖頻率的一個周期比C充放電時間短且充放電不足時，則沒有足夠的電流流向C，因此計數值小于理想值。當寄生電容很大時，可以通過降低傳感器驅動脈沖頻率來進行測量。當傳感器驅動脈沖頻率降低時，CTSU2可測量的最大值為50pF。請注意，當傳感器驅動脈沖頻率降低時，電流-頻率轉換功能在單位時間內的測量次數也會減少，電極的靈敏度也可能會降低?？梢酝ㄟ^調整CTSU2中的寄存器設定值來增加單位時間，但完成測量所需的時間也會增加。在設計電容式電極電路時，必須均衡考慮按鍵靈敏度、測量時間和抗噪性等條件。

圖1-3 CTSU2測量結果示意圖

自容式

1、互容式概述

互電容方式中的按鍵電極具有優異的防水性能、支持矩陣結構，以及許多其他自電容所不具備的功能。然而，互電容需要復雜的按鍵電極配置和布線，使得靈敏度調節難以實現。設計布局圖案時，必須考慮每種方式的優缺點。此外，與自電容方式不同，當面板厚度低于指定水平時，靈敏度會降低。在確定面板厚度時，設計人員必須仔細考慮按鍵電極配置。

圖2-1所示為電極中產生的互電容?；ル娙莘绞降奶匦允莾蓚€不同導體之間會產生寄生電容Cm?；ル娙菔桨存I包括連接到電容傳感器的兩個電極，即接收器電極RX和發射器電極TX。Tx受到脈沖驅動時會產生電場，電荷也在Cm中積累。當手指接近電極時，手指與電極之間會產生寄生電容Cf，Cm和Cf并聯。由于Tx的驅動能量是恒定的，因此電荷量不會改變。因此，Cm和Cf上的電荷消除后，Cm電荷也會減少。通過設置Cf增加量的閾值，可以確定觸摸按鍵是處于“打開”還是“關閉”狀態。請注意，如果手指直接接觸電極，則會導致電極短路，并且無法再測量電容。通常，電極和手指之間有幾毫米厚的覆蓋面板。

圖2-1 互電容電極示意圖

2、CTSU互電容方式檢測原理圖1-2所

圖2-2所示為互電容方式的CTSU內部配置概覽。CTSU輸出與連接到電極的Rx和Tx的互電容成反比的數字計數，并通過軟件判斷觸摸按鍵是處于“打開”還是“關閉”狀態。為測量所連接的兩個電極上存在的電容Cm，CTSU通過反轉脈沖輸出和開關電容之間的相位關系來獲得Cm，同時測量兩次自電容，然后通過軟件計算兩個值的差值。

圖2-2 互電容方式的內部配置概覽

審核編輯：湯梓紅