使用普通Ｉ／Ｏ口實現電容觸摸感應方案

孫樹印

觸摸感應解決方案受到越來越多的IC設計廠家的關注，不斷有新的技術和IC面世，國內的公司也紛紛上馬類似方案。但是目前所有的觸摸解決方案都使用專用IC，因而開發成本高，難度大，而本文介紹的基于RC充電檢測(RC Acquisition)的方案可以在任何MCU上實現，是觸摸感應技術領域革命性的突破。

RC充電檢測基本原理

RC充電檢測基本原理是對使用如PCB的電極式電容的充電放電時間進行測量，通過比較在人體接觸時產生的微小變化來檢測是否有“按下”動作產生，可選用于任何單獨或多按鍵、滾輪、滑條。

如圖1(a)所示，在RC網絡施加周期性充電電壓Vin，測量Vout會得到如(b)的時序，通過檢測充電開始到Vout到達某一閥值的時間t的變化，就可以判斷出是否有人體接觸。

PCB設計注意事項

不論是單按鍵、多按鍵、滑條、滾輪設計，還是混合應用。都可以使用一個I／O進行充電，既可減少資源應用，又可以因使用同一定時標準從而簡化軟件設計。

用于傳遞按鍵信號的線一定要足夠細，以降低線路造成的電容的影響，信號線間距為兩倍線寬，不同組的信號間距應保證3—5mm。同組的信號線長度應盡量保持一致，不同組的信號線不可以交叉。獨立按鍵的形狀可設計為圓、三角或正多邊形，尺寸以10～15mm為宜?；瑮l的形狀可，以是長方形或鋸齒形，滾輪可以設計為幅射的扇形或環形，也可以是交錯的齒輪，每個部分之間應保持0.2～0.5mm。按鍵PCB層不應該覆銅，否則會影響感覺的靈敏度，反面應覆銅以減少干擾。

LED經常在感應設計中用來指示按鍵是否有效按下，注意按鍵的地或電源線盡量短，線路較長時宜增加1nF的濾波電容。

另外，建議電源電路使用線性電源而不是開關電源，這對提高感應靈敏度很重要。

軟件設計流程與實現

ST公司設計了完整的基于RC充電檢測的電容式感應觸摸方案的完整設計，包括PCB和完整的源程序。以及基于STM8s的標準觸摸感應庫(Touch Sense Library，TSL)和應用API接口，采用易于移植的c設計，用戶可以方便地應用于其他任何MCU系統中。因為RC充電理論涉及的專利已經對公眾開放，所以完全沒有專利的限制。

ST的TSL內容包括濾波和校正算法，環境變化系統，自動根據環境溫度、濕度、電壓、灰塵等因素調整配置參數。提供了包括單通道和多通道的感應設計API函數，層次驅動的項目工程。基于STM8Sxxx-TS1-EVAL演示板的軟件在STVD開發平臺下設計，使用COSMIC-C語言編譯器，包括完整的源代碼。

對充電時間的測量可以使用MCU中定時器的捕捉功能，對于多個按鍵一般MCU沒有足夠的定時器為每個按鍵分配一個，也可以使用軟件計時的方法，這要求能對MCU的時鐘精確計數，并且保證每個周期的時鐘個數保持一定。這種情況通常要求對按鍵使用一個獨立的MCU，以保證不被其他任務中斷。為了提高系統的可靠性和穩定性，改進的測量方法是對Vout進行高和低兩個門限進行測量。

使用STM8s的觸摸感應方案與Cypress公司的Capsense觸摸按鍵的效果進行了對比，結果證明二者在靈敏度與可靠性方面不相上下，在水浸、增加覆蓋物情況下本方案適應性更佳。