一種抗干擾的電容式觸摸傳感控制器設(shè)計(jì)

馮海英，王芬芬，劉夢(mèng)影，屈佳龍，蘭亞峰

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

0 引言

近年來(lái)，觸控技術(shù)被應(yīng)用在越來(lái)越多的領(lǐng)域，電容式觸摸傳感控制器技術(shù)的發(fā)展也愈發(fā)迅速，電容式觸摸按鍵已滲透到現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中，如智能家電控制面板[1]、人機(jī)交互界面觸摸屏[2]、觸控平板[3]等。

觸摸按鍵技術(shù)一般通過(guò)測(cè)量感應(yīng)點(diǎn)電容上的電荷與電容值的變化明確是否存在觸摸動(dòng)作，根據(jù)原理的不同觸摸按鍵可分為兩類，分別為電阻式觸摸按鍵[4]和電容式觸摸按鍵[5]。觸摸技術(shù)發(fā)展前期，大多數(shù)的應(yīng)用采用電阻式觸摸控制器，該控制器通過(guò)比較按鍵兩端的電阻值來(lái)判斷按鍵是否被觸摸，如果阻值發(fā)生變化，根據(jù)該變化的阻值進(jìn)行計(jì)算則會(huì)得到一個(gè)具有特殊編碼的電流脈沖信號(hào)[6]。電容式觸摸技術(shù)在電阻式觸摸技術(shù)的基礎(chǔ)上提升了響應(yīng)速度和靈敏度，該技術(shù)通過(guò)測(cè)量電容值的變化來(lái)確定是否被觸摸，手指會(huì)改變極板之間的介電常數(shù)[7]，從而產(chǎn)生觸摸信號(hào)。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電容觸摸按鍵對(duì)于電磁和雨水等干擾信號(hào)較為敏感[8]，因此，觸摸傳感控制器的抗干擾問(wèn)題愈發(fā)受到人們的關(guān)注。趙宏濤[9]提高了電容式觸摸按鍵對(duì)于電磁干擾和雨水干擾的抑制作用；陳坤[10]對(duì)電容式觸摸進(jìn)行了深度解析，設(shè)計(jì)了一款達(dá)到預(yù)期效果并滿足應(yīng)用需求的電容式觸摸按鍵；田野等人[11]設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的觸摸按鍵電路，通過(guò)檢測(cè)RC回路的充放電時(shí)間來(lái)判斷有無(wú)按鍵被按下，該設(shè)計(jì)能夠有效降低硬件成本。本文設(shè)計(jì)了一款抗干擾的電容式觸摸傳感控制器，該控制器不僅可以任意配置充電及電荷轉(zhuǎn)移時(shí)序，具有較高的靈活性，而且具備擴(kuò)展頻譜功能，能夠產(chǎn)生可變的充放電頻率，這可以提高噪聲環(huán)境下電荷遷移采集檢測(cè)的穩(wěn)定性，減少感應(yīng)信號(hào)擴(kuò)散。

1 電容式觸摸傳感器的原理

任意兩個(gè)導(dǎo)體之間都存在感應(yīng)電容，如果不改變周圍環(huán)境，那么可認(rèn)為該感應(yīng)電容的數(shù)值是一個(gè)不變的微小數(shù)值。當(dāng)有人體手指靠近觸摸按鍵時(shí)，手指與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容以及焊盤與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容并聯(lián)，會(huì)使總感應(yīng)電容值增加[12]。在檢測(cè)到按鍵的感應(yīng)電容值發(fā)生改變后，控制器即可判定該按鍵被按下，隨即輸出相關(guān)確定信號(hào)。電量的變化都是微乎其微的，所以觸摸傳感控制器對(duì)各種干擾會(huì)更加敏感。

目前實(shí)現(xiàn)電容式觸摸按鍵的兩個(gè)主要方式是基于張弛振蕩的原理和基于電阻的電容式充放電時(shí)間檢測(cè)原理[13]。

1.1 基于張弛振蕩原理的觸摸傳感器

張弛振蕩電路如圖1 所示，張弛電路通過(guò)控制電路對(duì)電容充放電，靈活性強(qiáng)，且其器件面積和成本較低[14]。該電路由一個(gè)比較器和外部電阻構(gòu)成，其作用相當(dāng)于一個(gè)連續(xù)充電和放電的張弛振蕩器。當(dāng)Cpo+的電壓值高于Cpo-的電壓值，比較器會(huì)輸出高電平信號(hào)，電容開始充電[15]。分壓電阻R1構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)使得Cpo+的電壓變?yōu)?/3VDD，電容開始放電。

圖1 張弛振蕩電路

當(dāng)電容放電后電壓降低至1/3VDD以下，比較器輸出高電平，電容再次充電，如此反復(fù)，從而構(gòu)成了能夠?qū)崿F(xiàn)周期性充放電過(guò)程的張弛振蕩器。該電路連接一個(gè)計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器通過(guò)記錄充放電周期可推算得到電容的變化。如果在固定時(shí)間內(nèi)記錄的周期數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)值減少，則開關(guān)被壓下。

1.2 基于電阻的電容充放電觸摸傳感器

基于電阻的電容充放電電路如圖2 所示。觸摸按鍵CTOUCH對(duì)電容Cg充電，計(jì)數(shù)器開始記錄充電時(shí)間，充電過(guò)程中Cg兩端的電壓不斷升高，直至超過(guò)檢測(cè)門限電壓，此時(shí)比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)某一導(dǎo)體觸摸到觸摸按鍵CTOUCH時(shí)，Cg值變大，充電時(shí)長(zhǎng)增加。通過(guò)比較充電時(shí)長(zhǎng)，可判斷是否有觸摸按鍵被按下。

圖2 基于電阻的電容充放電電路

2 抗干擾電容式觸摸傳感控制器的硬件設(shè)計(jì)

為了提高觸摸傳感器的抗干擾性能，同時(shí)降低成本，本文設(shè)計(jì)了一種抗干擾的電容式觸摸按鍵控制器，該控制器包括觸摸按鍵、電極電容Cx、采樣電容Cs、防靜電電阻Rx、電子元器件、計(jì)數(shù)器和寄存器[15]，抗干擾的電容式觸摸按鍵控制器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。觸摸按鍵一端與電極電容相連并接地，另一端與Rx相連，而Rx的另一端同時(shí)與第一復(fù)位開關(guān)S1、充電開關(guān)S3、電荷轉(zhuǎn)移開關(guān)S4 相連。S1 接地，S3 連接充電電源VDD，S4 則連接Cs、第二復(fù)位開關(guān)S2 和電子元器件，電子元器件輸出至計(jì)數(shù)器，完成觸摸過(guò)程的脈沖計(jì)數(shù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至寄存器REG 中。電源VDD可對(duì)Cx進(jìn)行充電，而Cx可向Cs轉(zhuǎn)移電荷，直到兩個(gè)電容的兩端電壓相等。當(dāng)Cs的端電壓達(dá)到比較器的參考電壓Vref，計(jì)數(shù)器輸出，完成單次檢測(cè)。

圖3 抗干擾的電容式觸摸按鍵控制器結(jié)構(gòu)

Cx充電和放電是電荷遷移的兩個(gè)過(guò)程。電荷遷移采樣是一種測(cè)量電容量的有效方法，利用單端電極、少量外圍器件以及帶有模擬功能的I/O 端口來(lái)完成。

表面電荷遷移模擬I/O 端口如圖4 所示，每組I/O分為采樣I/O 和通道I/O，每組僅允許一組采樣I/O 打開，但通道I/O 可同時(shí)打開，也可以單獨(dú)打開，其中G1_I/O2 為采樣I/O，其他三個(gè)為通道I/O，通道I/O 連接電極，采樣I/O 連接存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移電荷的電容。

圖4 表面電荷遷移模擬I/O 端口

電容充放電的過(guò)程一直重復(fù)，直到Cs電壓達(dá)到給定的門限，重復(fù)的次數(shù)會(huì)被記錄在指定的寄存器中，這個(gè)次數(shù)表示電極電容的電容量。若電極電容有變化（變大），存儲(chǔ)電荷增加，那么到達(dá)指定門限的轉(zhuǎn)移次數(shù)將減少，獲取時(shí)序如表1 所示。

表1 獲取時(shí)序

為了提高該觸摸傳感控制器充放電的靈活性，用戶可配置充電及電荷轉(zhuǎn)移時(shí)序。圖5 為充電轉(zhuǎn)移時(shí)序圖，高脈沖計(jì)數(shù)值由寄存器CTPH[3:0]確定，擴(kuò)頻計(jì)數(shù)值由1 遞增到寄存器SSD[6:0]確定的某個(gè)值，再遞減到1，如此往復(fù)，充電高電平的寬度由高電平計(jì)數(shù)和擴(kuò)頻計(jì)數(shù)共同決定。低脈沖計(jì)數(shù)值由寄存器CTPL[3:0]確定。高低脈沖計(jì)數(shù)的最小值為1，最大值為16，預(yù)分頻為1～128，可算得高低電平的最小脈寬為1 個(gè)Clock時(shí)鐘周期，最大脈寬為2 048（128×16）個(gè)Clock 時(shí)鐘周期，通常設(shè)置在500 ns～2 μs 之間。為了確保測(cè)量準(zhǔn)確度，脈沖高電平持續(xù)時(shí)間必須確保能將Cx充滿。

圖5 充電轉(zhuǎn)移時(shí)序

死區(qū)時(shí)間是插在充電和電荷采集過(guò)程之間的一段時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)充電開關(guān)和電荷遷移開關(guān)處于斷開狀態(tài)，用來(lái)保證穩(wěn)定正確的電荷遷移采集順序。這個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間為Clock 的2 個(gè)周期。

擴(kuò)展頻譜功能能產(chǎn)生可變的充放電頻率，這可以提高噪聲環(huán)境下電荷遷移采集檢測(cè)的穩(wěn)健性，減少感應(yīng)信號(hào)擴(kuò)散，在正常的充放電周期上可以有10%～50%的調(diào)整空間。例如，正常的充放電頻率是250kHz（4μs），典型的擴(kuò)展頻譜誤差是10%（400 ns），導(dǎo)致最小充放電頻率變成約227 kHz。

在該設(shè)計(jì)中，展頻是通過(guò)延展高脈沖寬度實(shí)現(xiàn)的，每次充放電時(shí)，高脈沖比前一次寬一個(gè)展寬時(shí)鐘，直到展寬寬度達(dá)到SSD 設(shè)定的最大值，之后展寬寬度開始遞減直到1，如此循環(huán)直到出現(xiàn)中斷，擴(kuò)展頻譜可變?cè)砣鐖D6 所示。

圖6 擴(kuò)展頻譜可變?cè)?/p>

3 仿真結(jié)果

本文采用HDL Verilog 硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)觸摸控制電路，使用ModelSim 軟件和Spectre 軟件進(jìn)行功能仿真。

圖7 為擴(kuò)頻功能仿真波形，其中SSD 配置為0x1F。每次充放電時(shí)，高脈沖展寬符合圖6 的設(shè)計(jì)原理，且可看到采樣通道的輸出周期是不斷變化的，且與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相關(guān)。如圖7 中系統(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz，擴(kuò)頻輸出的周期變化范圍為27.6～3 532.8 ns，把觸摸時(shí)的頻譜能量均勻分布到該頻段范圍內(nèi)，避免了跟高頻干擾信號(hào)的能量峰值共振，提高了噪聲環(huán)境下電荷遷移采集檢測(cè)的穩(wěn)健性，同時(shí)可以限制感應(yīng)信號(hào)擴(kuò)散，極大地提高了電容式觸摸按鍵控制器的抗干擾能力。

圖8 為觸摸傳感控制器仿真時(shí)序圖，從圖中可以看出，其充放電轉(zhuǎn)移時(shí)序符合圖5 的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)350 次充電及電荷轉(zhuǎn)移，采樣電容電荷積累到閾值1.695 V，采樣通道I/O 發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此時(shí)控制器采集到輸入高電平產(chǎn)生相關(guān)中斷以告知CPU 進(jìn)行充電次數(shù)采集及后續(xù)處理。

圖8 觸摸傳感控制器仿真時(shí)序

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款抗干擾的電容式觸摸傳感控制器，控制器可任意配置充電時(shí)序和電荷轉(zhuǎn)移時(shí)序，支持?jǐn)U展頻譜的功能一方面提高了控制電路的靈活性，另一方面產(chǎn)生的可變充放電頻率能夠提高電荷遷移采集檢測(cè)的穩(wěn)健性，減少感應(yīng)信號(hào)擴(kuò)散，增強(qiáng)了抗干擾性。