中心議題：

• RC充電檢測基本原理
• 充電時間測量方法
• PCB設計注意事項

解決方案：

• 使用一個I/O口對PCB構成的電容充電
• 改進的測量方法是對Vout進行高和低兩個門限進行測量
• 傳遞按鍵信號的線一定要足夠的細，以降低線路造成的電容的影響

現在電子產品中
，觸摸感應技術日益受到更多關注和應用
，不僅美觀耐用，而且較傳統機械按鍵具有更大的靈敏度、穩定性、可靠性，同時可以大幅提高產品的品質。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麵世，國內的公司也紛紛上馬類似方案。Cpress公司的CapSense™技術可以說是感應技術的先驅，走在了這一領域的前列
，在高端產品中有廣泛應用，MCP推出了mTouch™，AT也推出了QTouch™技術
，FSL推出的電場感應技術與MCP的電感觸摸也別具特色，甚至ST也有QST產品。
　　
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
，而本文介紹的基於RC充電檢測（RCAcquisition）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。首先介紹了RC充電基礎原理
，以及充電時間的測試及改進方法，然後詳細討論了基於STM8S單片機實現的硬件
、軟件設計步驟
，注意要點等。
　
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，可選用於任何單獨或多按鍵
、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到達某一門限值的時間tc的變化，就可以判斷出是否有人體接觸。圖2顯示出有人體接觸時充電時間會變長。



實現電路如圖3，使用一個I/O口對PCB構成的電容充電，另一個I/O口測量電壓

，對於多個按鍵時使用同一個I/O口充電。R1通常為幾百K到幾M，人體與PCB構成的電極電容一般隻有幾個pF，R2用於降低噪聲幹擾
，通常為10K。


充電時間測量方法
　　
對充電時間的測量可以使用MCU中定時器的捕捉功能，對於多個按鍵一般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的時鍾精確計數
，並且保證每個周期的時鍾個數保持一定。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。
　　
為了提高係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。如圖4所示，通過對t1和t2的測量，從而達到更可靠的效果。另外，多次測量也是有效的降低高頻幹擾的有效方法。


　
實際應用中可以使用數字信號的方式直接測量t1和t2

，因為數字信號的‘1’和‘0’也都有最高與最低輸入門限。使用軟件查詢方式測量，通過固定頻率檢測輸入腳
，其中‘0’的個數就是t1
，‘1’的個數就是t2
，實際上就是輸入信號上升到VIHmin和下降到VILmax的時間。

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


，即可減少資源應用
，又可以因使用同一定時標準從而簡化軟件設計。
　　
用於傳遞按鍵信號的線一定要足夠的細
，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3mm～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10mm～15mm為宜。滑條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，而反麵可以覆銅，可以減少幹擾。


按鍵除設計為單通道模式，還可以設計為多通道模式
，通過對附近按鍵的感應信號強度判斷手指的位置
，甚至可設計出‘連續’的滑動效果。

　
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就盡量短，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
　　
ST公司設計了完整的基於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

，以及基於STM8S的標準觸摸感應庫（TouchSenseLibrary：TSL）和應用API接口，采用易於移植的C設計，用戶可以方便地應用於其他任何MCU係統中。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製。
　　
圖7是ST的觸摸感應設計庫TSL的架構示意。


　
ST的TSL內容包括濾波和校正算法，環境變化係統，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。基於STM8Sxxx-TS1－EVAL演示板的軟件在STVD開發平台下設計，使用COSMIC－C語言編譯器，包括完整的源代碼
，篇幅有限，不能詳述。
　　
通過實驗，我們使用STM8S的觸摸感覺按鍵與CY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麵不相上下，在水浸
、增加覆蓋物情況下，本方案適應性更佳。