《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電容觸摸感應(yīng)MCU的工作原理與基本特性
摘要: 來自美國的高效能模擬與混合信號IC創(chuàng)新廠商SiliconLaboratories(簡稱:SiliconLabs)公司特別推出了C8051F7XX和C8051F8XX系列的MCU(單片機(jī)),專門針對電容觸摸感應(yīng)而設(shè)計,在抗噪性能和運算速度上表現(xiàn)的非常突出。
Abstract:
Key words :

現(xiàn)在的電子產(chǎn)品中,觸摸感應(yīng)技術(shù)日益受到更多關(guān)注和應(yīng)用,并不斷有新的技術(shù)和IC面世。與此同時,高靈敏度的電容觸摸技術(shù)也在快速地發(fā)展起來,其主要應(yīng)用在電容觸摸屏和電容觸摸按鍵,但由于電容會受溫度、濕度或接地情況的不同而變化,故穩(wěn)定性較差,因而要求IC的抗噪性能要好,這樣才能保證穩(wěn)定正確的觸摸感應(yīng)。

針對市場的需求,來自美國的高效能模擬與混合信號IC創(chuàng)新廠商Silicon Laboratories(簡稱:Silicon Labs)公司特別推出了C8051F7XX和 C8051F8XX系列的MCU(單片機(jī)),專門針對電容觸摸感應(yīng)而設(shè)計,在抗噪性能和運算速度上表現(xiàn)的非常突出。

一、Silicon Labs公司的電容觸摸系列MCU

目前Silicon Labs公司推出的C8051F7xx和C8051F8xx等電容觸摸系列MCU,以高信噪比高速度的特點在業(yè)界表現(xiàn)尤為出色。同時,靈活的I/O配置,給設(shè)計帶來更多的方便。另外,由于該系列MCU內(nèi)部集成了特殊的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC),所以能夠進(jìn)行高精度的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電容觸摸功能。

CDC的具體工作原理:

如圖1所示,IREF是一個內(nèi)部參考電流源,CREF是內(nèi)部集成的充電電容,ISENSOR屬于內(nèi)部集成的受控電流源,CSENSOR為外部電容傳感器的充電電容,由于人體的觸摸引起CSENSOR的變化,通過內(nèi)部調(diào)整過的ISENSOR對CSENSOR進(jìn)行瞬間的充電,在CSENSOR上產(chǎn)生一個電壓VSENSOR,然后相對內(nèi)部參考電壓經(jīng)過一個共模差分放大器進(jìn)行放大;同理IC內(nèi)部的IREF對CREF充電后也產(chǎn)生一個參考電壓并相對同樣的VREF經(jīng)過差分放大,最后將2個放大后的信號通過SAR(逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器)式的ADC采樣算出ISENSOR的值。

圖1

Silicon Labs SAR式的ADC采樣可選擇12-16位的分辨率,如圖2所示,采用16位的分辨率進(jìn)行逐位比較采樣:首先從確定最高位第16位(IREF=0x8000)開始,最高位的值取決于電容的充電速率,也就相當(dāng)于電流的大小,取電流IREF/2,比較VSENSOR和VREF:

VSENSOR > VREF 則 最高位 = 0 ;

VSENSOR < VREF 則 最高位 = 1 ;

 隨后,SAR控制邏輯移至下一位,并將該位設(shè)置為高電平,進(jìn)行下一次比較:

如果第16位是1,則取下一個IREF=0xC000 ;

如果第16位是0,則取下一個IREF=0x4000.

這個過程一直持續(xù)到最低有效位(LSB)。上述操作結(jié)束后,也就完成了轉(zhuǎn)換,將算出的16位轉(zhuǎn)換結(jié)果儲存在寄存器內(nèi)。

圖2

利用此電容采集轉(zhuǎn)換功能,可用在電容觸摸屏或者觸摸按鍵上。比如,電容式觸摸屏的應(yīng)用(圖3所示)。一般自容式電容觸摸屏主要包括一層表面玻璃層,中間兩層行列交叉的ITO層(行列層之間間沒有短接),以及GND底層。每一行和列分別與MCU的采集輸入通道直接相連,當(dāng)手指觸摸到電容屏的表面玻璃層時,會引起某一行或列的ITO 塊的對地電容(如圖4)值變大,從而通過電容采樣以及特定的算法確定電容值發(fā)生一定變化的點(觸摸點)的位置(X,Y),最后將觸摸點的位置上傳給主處理器實現(xiàn)系統(tǒng)操作功能。

圖3

圖4

目前Silicon Labs 的C8051F7XX觸摸屏功能主要是單點觸摸,但通過軟件算法可以實現(xiàn)兩點的手勢識別,比如縮放、旋轉(zhuǎn)等,同時還能實現(xiàn)對水滴識別以及濕的手指觸摸正常劃線功能。

而觸摸按鍵的電容采樣原理一樣,只是每個采集輸入通道連接一個觸摸按鍵,MCU可以直接確定某個按鍵被觸摸然后進(jìn)行相應(yīng)功能的實現(xiàn),算法處理相對簡單。

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