電容傳感器的快速觸摸傳感技術

一、測量變化

電容式觸摸感應的本質是當物體接近電容器時電容的變化。手指的存在使電容增加

1）引入介電常數相對較高的物質（即人體）
2）提供一個導電表面，與現有電容器平行產生額外電容。

正確的！僅僅是電容的變化并不是特別有用。為了實際執行電容式觸摸感應，我們需要一個電路，能夠以足夠的精度測量電容，從而一致地識別出由于手指的存在而導致的電容增加。有多種方法可以做到這一點，有些相當簡單，有些更復雜。在本文中，我們將研究兩種實現電容感應功能的一般方法；第一種基于RC（電阻電容）時間常數，第二種基于頻率偏移。

二、RC時間常數

當我第一次意識到高等數學實際上與代表充電或放電電容器上的電壓的指數曲線有某種關系時，我有一種模糊的大學懷舊感。也許這是我第一次意識到高等數學和現實有某種關系，或者在這個時代葡萄收獲機器人放電電容器的簡單性吸引人。

在任何情況下，我們知道當電阻或電容改變時，這個指數曲線會改變。假設我們有一個由1米組成的RC電路? 電阻和電容式觸摸傳感器，典型的無指電容為10 pF。

我們可以使用一個通用的輸入/輸出引腳（配置為輸出）為傳感器蓋充電，使其達到邏輯高電壓。接下來，我們需要電容器通過大電阻放電。重要的是要明白不能簡單地將輸出狀態切換到邏輯低。輸出端的輸入端為低阻抗，輸出端為低阻抗。

因此，電容器會通過這個低阻抗快速放電，以至于微控制器無法檢測到由電容的微小變化引起的微妙的時序變化。我們需要的是一個高阻抗引腳，它將迫使幾乎所有的電流通過電阻放電，這可以通過配置引腳作為輸入來實現。因此，首先將引腳設置為邏輯高輸出，然后通過改變引腳為輸入，啟動放電階段。產生的電壓如下所示：

如果有人接觸傳感器，從而產生額外的3 pF電容，時間常數將增加，如下所示：

放電時間與人類標準相差不大，但現代微控制器肯定能檢測到這種變化。假設我們有一個時鐘頻率為25MHz的計時器；當我們將引腳切換到輸入模式時，我們啟動計時器。我們可以使用該計時器跟蹤放電時間，方法是將同一引腳配置為啟動捕獲事件的觸發器（“捕獲”意味著將計時器值存儲在單獨的寄存器中）。當放電電壓超過引腳的邏輯低閾值（例如0.6 V）時，將發生捕獲事件。如下圖所示，閾值為0.6 V的放電時間差為ΔT=5.2μs。

當計時器時鐘源周期為1/（25 MHz）=40 ns時，該ΔT對應于130個滴答聲。即使電容的變化減少了10倍，在未接觸傳感器和接觸傳感器之間仍然有13個刻度的差異。

所以這里的想法是在監測放電時間的同時對電容器進行反復充放電；如果放電時間超過預定的閾值，微控制器假設一個手指已經“接觸”了觸控電容器（我把“接觸”在引號中，因為手指從未實際接觸到上一篇文章中提到的電容器，所以電容器通過焊接掩模和設備外殼與外部環境隔開）。然而，現實生活比這里的理想化討論要復雜一些；錯誤來源將在下面的“處理現實”一節中討論。

三、可變電容器

在基于頻移的實現中，電容傳感器被用作RC振蕩器的“C”部分，使得電容的變化引起頻率的變化。輸出信號用作計數器模塊的輸入，計數器模塊計算在某個測量周期內出現的上升或下降沿的數量。當接近的手指導致傳感器的電容增加時，振蕩器的輸出信號的頻率降低，因此邊緣計數也減少。

所謂的弛豫振蕩器是一種常用的電路，可用于此目的。它需要一些電阻和比較器，除了觸摸敏感電容器；這看起來比上面討論的充放電技術要麻煩得多，但是如果你的微控制器有一個集成的比較器模塊，那也不算太糟。

我不打算詳細介紹這個振蕩器電路，因為1）它在其他地方討論過，包括這里和這里；2）當有許多微控制器和離散IC提供高性能電容式觸摸感應功能時，似乎不太可能使用振蕩器方法。如果你別無選擇，只能創建自己的電容式觸摸感應電路，我認為上面討論的充放電技術更簡單。否則，選擇一個帶有專用cap-sense硬件的微控制器，讓你的生活簡單一點。

Silicon Labs的EFM32微控制器中的電容感應外圍設備是基于松弛振蕩器方法的集成模塊的一個示例：

多路復用器允許振蕩頻率由八個不同的觸摸敏感電容器控制。由于微控制器的工作頻率相對于手指移動的速度來說非常高，所以通過快速循環通道，芯片可以同時有效地監控八個觸摸敏感按鈕。

四、現實

我們必須注意到電容式觸覺系統會受到高頻和低頻噪聲的影響。

高頻噪聲會導致測量的放電時間或邊緣計數發生微小的樣本間變化。例如，上面討論的無指充電/放電電路可能具有675個時鐘周期、685個時鐘周期、665個時鐘周期、670個時鐘周期等放電時間。這種噪聲的重要性取決于預期的手指感應放電時間的變化。如果電容增加30%，ΔT將為130個刻度。如果我們的高頻變化只有±10個周期，我們就可以很容易地區分信號和噪聲。

然而，電容增加30%可能接近我們可以合理預期的最大變化量。如果我們只有3%的幾率，ΔT是13個滴答聲，這太接近噪音下限了。減少噪聲影響的一種方法是增加信號的大小，您可以通過減少PCB電容器和手指之間的物理間隔來實現這一點。然而，通常機械設計會受到其他因素的限制，所以你必須充分利用你得到的任何信號量。在這種情況下，你需要降低噪音下限，這可以通過平均來實現。

例如，每個新的放電時間可不與先前的放電時間比較，而是與最后4次、8次或32次放電時間的平均值進行比較。上面討論的頻移技術自動包含平均值，因為平均頻率周圍的微小變化不會顯著影響相對于振蕩周期較長的測量周期內計數的周期數。

低頻噪聲是指無指傳感器電容的長期變化；這些可能是由環境條件引起的。這種噪聲不能平均，因為這種變化可能會持續很長一段時間。因此，有效處理低頻噪聲的唯一方法就是適應性強：用于識別手指是否存在的閾值不能是固定值。相反，它應該根據測量值定期調整，這些測量值不會顯示出明顯的短期變化，例如手指的接近引起的變化。

總之，我們注意到電容式觸摸感應不需要復雜的硬件或高度復雜的固件。盡管如此，它是一種多功能的、健壯的技術，可以提供比機械替代品更大的性能改進。