電容觸摸技術在MCU的應用

電容觸摸技術廣泛應用于從智能手機到冰箱和汽車的電子產品中。在許多應用中，電容式觸摸傳感器向專用控制器芯片提供輸入。MCU直接參與當控制器集成為一個外圍單片機上死去。

無論MCU是否具有集成在芯片上的傳感器/控制器電路，如果觸摸傳感器信息來自專用設備，MCU必須處理由電容觸摸輸入產生的若干問題，以達到令人滿意的用戶體驗。這些包括延遲(對用戶的及時響應)、準確性和能耗。在電池供電的設備中，能量消耗尤為重要。

MCU供應商提供各種各樣的電容觸摸解決方案，從專用外設到超低功耗接口，以及電池供電應用的電容式觸摸傳感器。然而，在審查解決方案之前，對電容觸摸技術的快速回顧應該是有幫助的。

電容式觸摸基礎

傳感器一般呈現特殊的設計問題，電容式觸摸傳感器沒有什么不同。復雜度很大程度上是由于傳感器電場的分布特性使得“集總元件”近似的行為不準確和誤導。為了解決這些問題，半導體公司已經發表了大量的應用筆記，基本上提供了規則，如果遵循的話，將導致一個成功的設計。本文將討論基本的考慮因素;了解一些基本知識對于使設計從正確的方向開始是必要的。

電容式觸摸傳感器可以用簡單的空間參數大致分類：

零維傳感器響應單個接觸點。一個簡單的按鈕是最常見的實現。

一維傳感器可以檢測手指沿一個直線軸的運動?；瑝K和輪子是最流行的實現。

二維傳感器可以檢測手指沿兩個軸的運動。觸摸屏和觸摸板是很好的例子。

這項技術相當復雜，但與以往一樣，設計最終用戶系統的第一個重要步驟是選擇與應用程序相對應的傳感器類型。

一、二維傳感器最基本的電容觸摸技術取決于表面電容。面板一側涂有導電材料，另一面為絕緣材料。一個小的電壓被施加到導電層，以創建一個弱電場。當導電手指或觸筆觸到表面時，電容器就會瞬間產生，從而改變電場。

傳感器的控制器可以通過測量面板四個角的電容變化間接地計算觸摸的位置。電容變化越大，接觸就越靠近那個角。表面電容技術分辨率很低，容易受到電容耦合引起的誤差。由于這些原因，它通常用于工業控制和亭。

投射電容式觸摸

投影電容觸摸(PCT)技術比只使用表面電容更精確、更靈活。導電層被蝕刻在X-Y網格。PCT傳感器技術有兩種：自電容和互電容。

在自電容傳感的X-Y網格的行和列的獨立操作。位置取決于手指在每一列或行上的電容負荷的相對位置。一個強烈的信號，是創建但自電容傳感不能準確地解決多個手指，會產生“鬼影”，“或放錯位置傳感。

互電容式傳感器在每一行和每一列的交叉處都有一個電容器。當電壓施加到行或列時，即使在傳感器表面上帶一根手指或導電筆，也會改變局部電場并降低互電容。通過測量網格上各個點的電容變化，可以非常準確地確定觸摸位置?；ル娙葜С侄帱c觸摸操作，也就是說多個手指的位置可以在同一時間精確跟蹤。

PCT是一種流行的用于銷售點設備的選項，它需要記錄簽名的能力。然而，PCT性能可以通過面板上的污跡表面導電的負面影響。粘在面板上的灰塵也可能是個問題。

MCU廠商設計了產品族，精確地處理了剛剛討論過的傳感器類型。例如，Atmel開發了用于按鈕、滑塊和車輪的傳感器控制器家族。該產品可作為IP集成在一個Atmel公司的AVR或Atmel的ARM MCU內核使用公司QTouch庫或應用程序特定的設備。Qtouch家族是用于自電容傳感器的設計。它的Qmatrix傳感器控制器用于與互電容傳感器。Atmel公司為兩個家庭提供了評估板。

德克薩斯儀器MSP430的價值線g2xx2/3單片機的一些配置是專為電容式觸摸應用。這些MCU包括電容式觸摸感的iOS允許開發人員無需外部元件與電容式觸控板的直接接口。對于更復雜的應用程序，該公司的msp430f51x2設備，如msp430f5152idar，包括高性能定時器提供4 ns的分辨率，使高精度觸摸傳感。

許多IC公司都有電容觸摸的產品線。它們包括但不限于Atmel、Cypress半導體、飛思卡爾半導體芯片技術，恩智浦半導體，Silicon Labs、德克薩斯文書。

設計考慮

電容式觸摸應用程序需要設計者考慮的不僅僅是單片機。在電池供電的電力消耗是很重要的，而這段時間(潛伏期)之間的瞬間按下按鈕，從系統的反應也非常重要。

其他因素也必須根據應用程序的用例來考慮。這些措施包括環境光靈敏度(屏幕眩光)，成本，耐用性和最小/最大尺寸。所有這些標準的探索已經超出了本文的范圍，但2014分析由明尼蘇達州立大學發表在由程序(asse-nwmsc2014-1c1)包括一個表(圖1)，將有助于設計師。電阻觸摸技術也包含在分析中，因為它仍在廣泛使用，雖然一般不象電容觸摸那樣有能力。這些技術的排名是0到5，其中5是“最好”，0是“最差”的表現。PCT有最好的整體評級，但表面電容技術應考慮對成本敏感的應用和大屏幕的產品。

特征 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 電阻(線) ? ? ? ? ? ? ? 表面電容式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?投射電容式

環境光靈敏度 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5 - ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5

校準穩定性 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 - ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5

成本 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2

耐久性 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5

多點觸摸 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5

耐候性 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5

最佳適用尺寸 ? ? ? ? ? ? ? ? 2 - 26 ? ? ? ? ? ? ? ? ? “12”- 26 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?“2”- 10“

手機/掌上電腦 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5

圖1：三種流行觸摸技術的比較特征。

能源消費

當一個外部傳感器接口在單片機的CAN不浪費能源，重要的互動或交互––漆之間的傳感器和微處理器。具有諷刺意味的是，因為我們今天的問題是關于單片機的低功耗操作模式有多個“備用”?！吧钏摺?。每一步快，通常伴隨著低功率操作的開銷是由更多的時間需要從功率模式喚醒。

當處理一個觸摸傳感器的輸入，一個主要目標是實現及時響應，但這可能不是可以在較低的睡眠模式。問題是，如果exacerbated已喚醒MCU實現如此經常，及時響應，它實際上是發射功率的消費更多的是在較高的活動狀態。

硅實驗室方法節能是其低能量傳感器接口(lesense)，它已被設計，以回應傳感器輸入到單片機的一點是在深睡眠模式。lesense是集成到公司的efm32系列32位ARM微控制器為基礎的。在電池供電的觸摸應用程序，小壁虎(家庭提供最好的選擇。

lesense DAC的模擬電路包括一comparators，音序器模塊，和一個運行在32千赫。這是在音序器控制引腳連接到comparators和是否DAC是提供一個更準確的比較參考。比較器的輸出可以組合數和CPU一樣，如果一組只讀awakes預定條件已經發生，如觸摸屏在一個水龍頭一一定的時間窗口。這是可能的在單片機仍然在深睡眠模式。

在lesense獨立勛章，因為它是單片機與外設配置和其他公司，特別的外圍反射系統(PRS)。這使得它可以為設計者創建狀態機結構的外部事件的監測沒有CPU的干預。

在一個電容感應，它是能夠測量在一個案例是更重要的比電容的變化制作的絕對測量。監測這些變化，通常由設計師定位之間的電容和地面的一部分。義銷銷在RC振蕩器電路。在這種結構，振蕩頻率取決于電容的銀行目前在銷的鐮刀。As a result，觸摸開關可以實現通過簡單的引腳，其中直接觸摸墊的鐮刀。沒有其他外部元件是必要的。

在簡單的機器運行狀態是顯示在圖2。的差異之間的上層和較低的部分是在不同的模擬輸入的數字是，產生不同的結果，這在lesense狀態機，轉向，單片機進入睡眠模式(在葉子上)或“IT(下)。

圖像lesense PRS和硅實驗室

圖2：一個電容感應觸摸開關的使用和簡單的lesense PRS。

結論

觸摸敏感的輸入成為一個主流技術在A A寬譜應用到智能手機和平板電腦，從簡單的按鈕。一個電容觸摸技術已成為占主導地位，因為其精度，耐久性和其他性能特征。在許多應用程序，與單片機接口個電容觸摸傳感器，它經常挑戰設計師提供友好的人機界面匹配和管理有效的能源消費。沒有一刀切的解決方案在個電容觸摸應用程序，但有一系列的MCU供應商提供的解決方案和一個是要適合任何應用程序。