参考

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作者：余汉太阳

介绍

电容式触摸传感器通常用于人类控制接口。作为非机械系统，它们不会磨损就像机械开关一样，成本相对较低。

电容式触摸系统确实存在挑战：目的是感测电容的非常小的变化，并可靠地提供最终的输出，使用户相当于机械按钮的“单击”的“单击”。

电容式触摸传感器通常需要在保护材料的层下，因此感测电容的有效变化可能非常小 - 在PF左右的顺序上。

图1显示了非接触式触摸传感器的公共传感器布局。圆形几何图有助于将电场分布，均匀地不同于角形，可以集中在角落处的电场。导电板均匀，以允许大部分电场拱门进入空气，最大化人体手指可以有效地干扰的体积。

电容式接口电路

图2中的电路用于感测外部触摸板接口的电容的变化。GreenPak中的逆变器将外部反馈电阻驱动到输入，导致RC振荡。GreenPak内部基于RC振荡频率的变化执行算法，以确定人类手指是否触及传感器。

对于有效的传感器，频率的变化必须是不可忽略的。因此，应选择电阻使得RC时间常数远远大于内部传播延迟，但足够小以获得充分快速的响应。

在布局期间，最小化任何杂散电容（例如从传感器到GreenPak的迹线和接地电容），因为它们仅增加了总电容并因此降低了灵敏度。

GreenPak设计：改善传感算法

在以前的应用笔记中，AN-1077电容式触控按钮传感器，GreenPak算法涉及将RC振荡频率与参考RC进行比较。该设计的问题在于，保证性能超过温度，电压和部分变化。

在这种改进的设计中，GreenPak将RC振荡频率自身进行比较，而不是参考RC。使用差分而不是绝对测量消除了参考RC的需要。不仅需要更少的外部组件，我们会获得更强大的性能，较少的变量来解释。

改进的算法可以用GreenPak4家族中的任何芯片实现。我们在此示例中使用SLG46140。

执行

为了将当前值与先前的值进行比较，我们使用FSM计数器计算一个周期并计入下一个周期。如果频率没有改变，则差异将接近零。如果有变化，那么差异将是非零（触摸触摸的正面和触摸的负数）。

初始有限状态机FSM计数器值设置为128（半尺255，数字比较器的最大值）。因此，差分测量将导致计数器值大于或小于128。

在差分测量阶段之后，数字比较器检查正> 128 +α或负<128 - β值，其中α和β是用于滞后的用户定义。如果比较器检测到事件，则输出将切换到相应状态。

例如，在计数阶段期间，传感器以100kHz谐振。但在计数阶段期间，用户触及传感器，输入频率降低到80kHz。如果输入到数字比较器的输入大于128 +α，则输出变高，请在事件上表示触摸。同样，如果相反发生并且数字比较器的输入是低于128 - β的值，则DCMP的输出（OUT +）变低，表示触摸事件。

脚步：

1. 唤醒。FSM计数为5毫秒
2. 睡觉。FSM保持45毫秒
3. 唤醒。FSM计数为5毫秒
4. 睡觉。FSM保持45毫秒
5. 比较和重置

图4,5和6描绘了“无触摸”，“手指触摸”或“手指触摸关闭（释放）”检测的事件序列。在第一个唤醒周期，FSM计数器数据在电容器输入的每个上升时钟下增加，然后进行睡眠。在下一个唤醒周期，FSM计数器数据在电容器输入的每个上升时钟下降，然后进行睡眠。

在下一个唤醒周期之前，将FSM计数器数据与两个数字值进行比较，触摸阈值和触摸关闭阈值。一旦比较完成，计数器值被重置为初始值和循环重复。如果检测到触摸，则表示计数器值高于触摸阈值，绕过唤醒/睡眠，并且零件保持唤醒，直到检测到触摸。这可以防止由于未错过的触摸偏离事件而“卡住”的输出。

案例1：没有触摸

在不受干扰的频率下，步骤5的FSM计数器数据等于初始值。

案例2：手指触摸

由于存在手指，步骤5的FSM计数器数据大于阈值的触摸。这是因为计数器计数比计数器更少。结果是起始值和最终值之间的正差异。

案例3：手指触摸（释放）

当释放触摸时，步骤5的FSM计数器数据小于触摸关闭阈值。这是因为计数器的计数器减少了比计入目标的更多次数。结果是开始和结束值之间的负差异。

设计考虑因素：唤醒睡眠和分辨率

电容式触摸传感器是有源组件，需要不断监控其输入。如果它一直在运行，这可能会消耗大量的电流。为了实现更长的电池寿命，PAK需要以尾睡时的睡眠方式打开和关闭电容式触摸界面。对于这种设计，我们使用图7中的设置将振荡器电路纳入每周期50ms，5ms唤醒。

实现了“智能”唤醒睡眠，其中触摸将保持振荡器电路不断运行，直到触摸触摸事件。这基本上增加了触摸的敏感性并少触摸。如果有触摸事件，则系统将恢复正常的唤醒睡眠周期。

唤醒睡眠期可以改变很高兴，但重要的是要记住决心。更长的唤醒意味着在电流成本下更大的分辨率。为了计算分辨率，将唤醒周期乘以输入频率。例如，如果输入频率为100kHz并且唤醒周期为2ms，则每个样本的总分辨率为200计数。

设计考虑因素：数字比较器

最后，通过迭代设计过程选择数字比较器的滞后α和β值。为了获得快速估计，因子在唤醒睡眠期和高于计算的分辨率。可以通过在触摸传感器之前和之后测量输入频率来计算百分比百分比。

例如，如果分辨率为200个计数每个样本，并且预期的百分比百分比从100kHz到110kHz为5％，则计算的增量范围为20分。因此，触摸和触摸关闭将大约为148和108.这将为检测按钮按下和释放之间提供滞后，以避免虚假按钮按下。

工作台结果

请注意，检测到触摸时电路保持清醒。触摸触控信号很高并保持高位。当手指离开传感器和GreenPak检测到触摸事件时，我们进入唤醒/睡眠模式，输出返回低电平。

通道1（黄色/顶线）：引脚＃3（反馈触摸）

频道2（深蓝色/ 2ⁿ线）：PIN＃7（触摸）

结论

可以使用任何GreenPak设备实现使用相对阈值而不是绝对的改进的电容式触摸感测算法。该解决方案最小化外部电路，同时实现更可靠的性能，对组件和环境变化不太敏感。