電容式觸摸感應界面實現方案

觸摸感應按鍵因其易于使用、美觀且不涉及機械運動而在日常的人機界面應用中得以普及，尤其是電容式觸摸感應技術可以通過標準PCB設計中的銅焊盤來實現，因而相比其他技術更受歡迎。

本文將對電容式觸摸感應技術及其實現的基本原理進行簡要概述。文中將會介紹如何利用CVD（電容分壓器）技術和一個稱為充電時間測量單元（CTMU）的單片機外設來實現具有最少外部元器件的低成本電容式觸摸感應設計，還將給出一個參考設計來說明如何用電容式觸摸感應按鍵來替代機械開關。

近來，電容式感應滾輪在許多設備中所獲得的成功使得此項技術比起其他觸摸感應技術更有優勢。

電容式觸摸感應的原理

當任何具有電容特性的物體（例如手指）接觸電容式觸摸感應器時，都將因其介電特性而充當另一電容。這將改變系統的有效電容，從而以此檢測觸摸動作。

如圖1所示，手指充當其中一個平行極板，而另一個平行極板則連接到芯片的傳感器輸入端。人體血液中的鐵質將產生一組電容，這些電容附著于體表。當這一電容組接近導體時，將會產生一個實質上耦合到地的電容，在確定觸摸時它將反映為測量電壓的變化。

一個典型的電容式觸摸感應系統由三個主要功能模塊組成：一個用于電容式感應的模擬模塊，一個用于處理數據的控制器和一個用于與主處理器進行通信的接口模塊。

電容式觸摸感應解決方案可通過利用基于電壓變化的技術來有效實現，如：通過使用單片機的片上充電時間測量單元（CTMU）外設來實現；或者通過采用電壓分壓器（CVD）技術來實現，該項技術采用了模數轉換器（ADC）而無需用到任何專用的電容式觸摸感應外設。

1. 利用CTMU外設實現電容式觸摸感應

CTMU外設是一個靈活的模擬模塊，它可與一個ADC結合使用來精確測量電容。它包含一個與此ADC通道相連的恒流源，如圖2所示。CTMU使用恒流源來計算電容的變化和不同事件間的時間差。

與CVD相比，CTMU可提供更快的響應速度，因為它具有多個不同的電流源范圍，這將有助于以更快的速度為模擬通道充電，從而改善電容式觸摸感應系統的響應時間。

CTMU外設用于電容式觸摸感應應用是利用公式I×T=C×V實現的。其中：I是CTMU的恒流源，T是CTMU為電容式觸摸感應器充電的固定周期，C是電容式觸摸感應器的電容，V是電容式觸摸感應器電壓（通過ADC讀取）。

將該公式重新整理成C=（I×T）/V的形式，便可通過觀察電壓變化來檢測電容的相對變化。根據前面的公式，下面給出了檢測觸摸過程所涉及的各個步驟：將電容式觸摸感應器（作為一個電容）連接到一個與CTMU外設和ADC多路復用的通道；最初，恒流源在一段固定的時間周期（T）內為觸摸感應器充電，且傳感器上的電壓（V）通過ADC測出，如圖3所示；只要因觸摸感應器焊盤而產生的電容不發生變化，在連續多次測量電荷的過程中，電壓就不會發生變化。

CTMU外設中存在的恒流源，結合多通道ADC,為與電容式觸摸感應器接口提供了有效的平臺。將CTMU外設直接連接到ADC的輸入端，使其可通過模擬多路開關連接到任何引腳。借助這種配置，單個CTMU外設可測量的傳感器個數將等于ADC通道數。

與電流源相關的微調位方便了校準，由此便可應對外部干擾和傳輸損耗。