中心議題：

• 觸摸操作係統的優點和實現方式
• 電容式感應的工作原理介紹
• 接觸電容式感應接口電路設計分析

解決方案：

• 電容式感應的設計方案
• CapSense解決方案

電容式感應正在越來越多地應用於我們的日常生活。優雅時尚的電容式感應界麵越來越廣泛地應用在便攜媒體播放器(PMP)、手機、計算機
、POS終端和其它家用電子設備上，如今又開始廣泛應用於工業和醫學應用領域。

但到底什麼是電容式感應呢?dianrongshiganyingshiyizhongyichumocaozuoweijichudeganyingxingshi。zuoweichuantongjixieshianniuhehuadongchutoudeyizhongtidaijishu，dianrongshiganyingjishuhaikeyiyongyushejichumoping

、觸(chu)摸(mo)板(ban)和(he)接(jie)近(jin)感(gan)應(ying)裝(zhuang)置(zhi)。這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)並(bing)不(bu)感(gan)應(ying)按(an)鈕(niu)的(de)具(ju)體(ti)狀(zhuang)態(tai)，而(er)是(shi)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)導(dao)電(dian)物(wu)體(ti)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)

，許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)，用(yong)戶(hu)的(de)手(shou)指(zhi)就(jiu)是(shi)這(zhe)個(ge)導(dao)電(dian)物(wu)體(ti)。

觸摸操作係統的優點和實現方式

之(zhi)所(suo)以(yi)采(cai)用(yong)觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)，其(qi)原(yuan)因(yin)有(you)幾(ji)種(zhong)。基(ji)本(ben)原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi)是(shi)為(wei)了(le)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)耐(nai)久(jiu)性(xing)。例(li)如(ru)
，公(gong)共(gong)信(xin)息(xi)亭(ting)內(nei)的(de)按(an)鈕(niu)要(yao)承(cheng)受(shou)大(da)量(liang)不(bu)當(dang)的(de)使(shi)用(yong)和(he)頻(pin)繁(fan)的(de)操(cao)作(zuo)。機(ji)械(xie)式(shi)按(an)鈕(niu)會(hui)很(hen)容(rong)易(yi)磨(mo)損(sun)並(bing)導(dao)致(zhi)故(gu)障(zhang)發(fa)生(sheng)。而(er)更(geng)換(huan)按(an)鈕(niu)和(he)修(xiu)理(li)機(ji)械(xie)式(shi)傳感器將(jiang)會(hui)增(zeng)加(jia)總(zong)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)。而(er)使(shi)用(yong)觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)時(shi)，係(xi)統(tong)更(geng)為(wei)耐(nai)用(yong)
，從(cong)長(chang)期(qi)角(jiao)度(du)來(lai)說(shuo)，能(neng)夠(gou)減(jian)少(shao)總(zong)成(cheng)本(ben)。觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)還(hai)可(ke)以(yi)擁(yong)有(you)更(geng)多(duo)靈(ling)活(huo)性(xing)
，因(yin)為(wei)它(ta)的(de)按(an)鈕(niu)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)多(duo)項(xiang)功(gong)能(neng)。例(li)如(ru)，在(zai)傳(chuan)統(tong)的(de)工(gong)業(ye)鍵(jian)盤(pan)上(shang)
，機(ji)械(xie)式(shi)按(an)鈕(niu)實(shi)際(ji)上(shang)隻(zhi)能(neng)執(zhi)行(xing)單(dan)項(xiang)功(gong)能(neng)

，或(huo)者(zhe)隻(zhi)能(neng)代(dai)表(biao)規(gui)定(ding)好(hao)的(de)某(mou)個(ge)菜(cai)單(dan)選(xuan)項(xiang)。而(er)在(zai)使(shi)用(yong)觸(chu)摸(mo)屏(ping)時(shi)
，因(yin)為(wei)顯(xian)示(shi)可(ke)以(yi)連(lian)續(xu)改(gai)變(bian)
，所(suo)以(yi)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)更(geng)多(duo)方(fang)式(shi)來(lai)設(she)計(ji)界(jie)麵(mian)。唯(wei)一(yi)的(de)限(xian)製(zhi)隻(zhi)是(shi)設(she)計(ji)方(fang)案(an)的(de)需(xu)要(yao)而(er)巳(si)。同(tong)樣(yang)的(de)道(dao)理(li)，由(you)於(yu)單(dan)個(ge)按(an)鈕(niu)可(ke)以(yi)應(ying)用(yong)於(yu)多(duo)種(zhong)用(yong)途(tu)，觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)就(jiu)能(neng)夠(gou)在(zai)更(geng)小(xiao)的(de)空(kong)間(jian)內(nei)擁(yong)有(you)更(geng)多(duo)的(de)功(gong)能(neng)。最(zui)後(hou)，觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)與(yu)機(ji)械(xie)式(shi)按(an)鈕(niu)相(xiang)比(bi)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)優(you)點(dian)是(shi)：它可以改善最終用戶的體驗。基於觸摸操作的解決方案通常更為直觀易懂並且方便用戶使用。

觸摸操作係統可以采用多種不同方式來實現。其中包括采用電阻膜、紅外傳感器

，甚至是表麵聲波。我們有如此之多的備選方案，為何要采用電容式感應呢?首shou先xian
，是shi靈ling敏min度du的de問wen題ti。電dian容rong式shi感gan應ying能neng夠gou在zai感gan應ying到dao手shou指zhi存cun在zai時shi啟qi用yong，而er無wu需xu電dian阻zu膜mo所suo要yao求qiu的de觸chu摸mo筆bi或huo壓ya力li。其qi次ci，是shi耐nai久jiu性xing的de問wen題ti。正zheng如ru以yi前qian提ti到dao過guo的de
，由you於yu基ji於yu觸chu摸mo的de解jie決jue方fang案an沒mei有you機ji械xie運yun動dong部bu件jian
，因yin此ci它ta比bi機ji械xie式shi按an鈕niu和he開kai關guan更geng為wei經jing久jiu耐nai用yong。而er在zai各ge種zhong基ji於yu觸chu摸mo的de解jie決jue方fang案an中zhong
，電dian容rong傳chuan感gan器qi擁yong有you極ji其qi優you秀xiu的de耐nai久jiu性xing。紅hong外wai解jie決jue方fang案an會hui受shou到dao表biao麵mian汙wu染ran物wu的de不bu良liang影ying響xiang，而er電dian容rong式shi感gan應ying技ji術shu對dui環huan境jing因yin素su具ju有you較jiao強qiang的de耐nai受shou性xing。最zui後hou，足zu靈ling活huo性xing的de問wen題ti。由you於yu電dian容rong式shi感gan應ying可ke以yi采cai用yong多duo種zhong外wai覆fu層ceng材cai料liao，並bing可ke以yi采cai用yong不bu同tong水shui平ping的de分fen辨bian率lv和he精jing確que度du
，因yin此ci不bu會hui僅jin限xian於yu某mou些xie特te定ding應ying用yong領ling域yu。電dian容rong式shi感gan應ying可ke以yi應ying用yong於yu消xiao費fei類lei電dian子zi產chan品pin中zhong，如ru移yi動dong手shou機ji、MP3播放器和數碼相機
，也可以應用於工業或家用電器，如冼衣機或信息亭。

電容式感應的工作原理

那麼，電容式感應的工作原埋是什麼呢?下麵的示意圖顯示了1個電容式感應按鈕的橫截麵。如圖所示

，在外覆層材料之下，存在導電的銅塊區域和導電的傳感器。在2個導電元件相互之間靠得很近時，就會產生一個電容值，本圖中標為Cp
，這個電容值是由於傳感器墊板與接地板之間的耦合現象而形成的。Cp屬於寄生電容，典型數量級任10pF至300pF。chuanganqiyujiedibankaojinshiyehuixingchengyigebianyuandianchang，zhegedianchangnenggouchuantouwaifuceng。jibenshang，rentizuzhiyeshuyudaodianti。jiangyigenshouzhifangcunbianyuandianchangfujinshi
，jiuhuizengjiazhegedianrongxitongdedaodianbiaomianmianji。

但是
，這個在圖中標為CF的附加手指電容值的數量級在0.1pF至10pF。雖然一根於指的存在會導致電容發生變化
，但與寄生電容相比
，該變化的幅度是相當小的。而傳感器的測得電容值稱為CX。在沒有手指存在的情況下，CX基本上等於CP。而在於指存在時


，CX則為CP和CF的和。
 

圖1 手指電容值

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電容式感應的設計方案

在我們了解了電容式感應的工作原理後，如何開始設計某一特定產品的電容式感應界麵呢?我們重點要考慮到設計方案的需要。這個產品將用在什麼地方?使用環境嚴苛嗎?這項設計中最重要的因素是電池的使用時間還是產品的耐久性?不同的因素對設計方案的影響也各不相同。

根(gen)據(ju)正(zheng)在(zai)設(she)計(ji)的(de)產(chan)品(pin)類(lei)型(xing)
，功(gong)耗(hao)可(ke)能(neng)是(shi)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)
，也(ye)可(ke)能(neng)不(bu)是(shi)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。例(li)如(ru)，在(zai)由(you)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)手(shou)持(chi)設(she)備(bei)上(shang)
，功(gong)耗(hao)具(ju)有(you)極(ji)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。而(er)一(yi)種(zhong)對(dui)整(zheng)體(ti)平(ping)均(jun)功(gong)耗(hao)即(ji)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)的(de)方(fang)式(shi)是(shi)設(she)立(li)3個不同的工作區域。一個工作區域是快速響應區
，這個區域內的每個傳感器每200weimiaosaomiaoyici。xitonghuizaianniuhehuadongchumochuyulianxucaozuozhuangtaixiajinruzheyiquyu。zaicaozuohenshaohuowucaozuoshi，xitongkeyijinruyigemansuxiangyingqu，jiangsaomiaopinlvjianshaodaodayuemei100毫秒1次。最後，如果在很長時間內沒有操作
，則係統可以進入深度休眠模式
，從而節省電力。通過實現節能

、慢速響應模式



，在便攜手持設備每100秒掃描3個按鈕的情況下
，係統的耗電量可以低於50μA的平均電流。

在當今的電子產品領域，噪聲也成為另-項(xiang)重(zhong)要(yao)的(de)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)。各(ge)類(lei)感(gan)應(ying)噪(zao)聲(sheng)

，諸(zhu)如(ru)來(lai)自(zi)電(dian)力(li)線(xian)路(lu)的(de)噪(zao)聲(sheng)，以(yi)及(ji)來(lai)自(zi)移(yi)動(dong)手(shou)機(ji)或(huo)日(ri)光(guang)燈(deng)的(de)輻(fu)射(she)噪(zao)聲(sheng)，無(wu)時(shi)無(wu)刻(ke)不(bu)存(cun)在(zai)
，所(suo)以(yi)必(bi)須(xu)加(jia)以(yi)考(kao)慮(lv)。為(wei)了(le)進(jin)行(xing)有(you)效(xiao)防(fang)範(fan)，我(wo)們(men)的(de)目(mu)標(biao)是(shi)增(zeng)加(jia)信(xin)噪(zao)比(bi)
，並(bing)消(xiao)除(chu)虛(xu)假(jia)觸(chu)摸(mo)響(xiang)應(ying)。

在設計信噪比
、耐久性、靜(jing)電(dian)放(fang)電(dian)抵(di)抗(kang)力(li)以(yi)及(ji)精(jing)確(que)度(du)時(shi)，所(suo)選(xuan)擇(ze)的(de)外(wai)覆(fu)層(ceng)材(cai)料(liao)以(yi)及(ji)外(wai)覆(fu)層(ceng)厚(hou)度(du)具(ju)有(you)很(hen)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。而(er)且(qie)
，在(zai)考(kao)慮(lv)材(cai)料(liao)的(de)類(lei)型(xing)和(he)厚(hou)度(du)時(shi)
，必(bi)須(xu)根(gen)據(ju)產(chan)品(pin)的(de)需(xu)要(yao)，在(zai)許(xu)多(duo)方(fang)麵(mian)采(cai)取(qu)折(zhe)衷(zhong)方(fang)式(shi)。隨(sui)著(zhe)外(wai)覆(fu)層(ceng)材(cai)料(liao)厚(hou)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)
，信(xin)號(hao)和(he)噪(zao)聲(sheng)兩(liang)方(fang)麵(mian)均(jun)會(hui)減(jian)少(shao)。但(dan)是(shi)，外(wai)覆(fu)層(ceng)材(cai)料(liao)越(yue)厚(hou)
，則(ze)對(dui)於(yu)靜(jing)電(dian)放(fang)電(dian)的(de)抵(di)抗(kang)力(li)就(jiu)越(yue)強(qiang)。人(ren)體(ti)的(de)靜(jing)電(dian)電(dian)壓(ya)可(ke)以(yi)高(gao)達(da)15 KV，而電容式感應係統的外覆層有助於避免集成電路在遭受此類靜電放電時發生永久性損壞。另一種解決方法是，使用一層聚酰亞胺(Kapton)帶
，這種材料在需要超強靜電放電保護的應用中能夠發揮良好的作用。當然

，外覆層越厚，也就越不容易破裂或者遭到破壞。

CapSense解決方案

一yi種zhong能neng夠gou降jiang低di設she計ji難nan度du的de理li想xiang方fang式shi是shi采cai用yong一yi種zhong靈ling活huo的de可ke編bian程cheng電dian容rong式shi感gan應ying解jie決jue方fang案an
，這zhe種zhong方fang案an還hai能neng夠gou通tong過guo調tiao整zheng以yi滿man足zu設she計ji需xu要yao。一yi項xiang能neng夠gou達da到dao該gai要yao求qiu的de可ke編bian程cheng解jie決jue方fang案an就jiu是shi以yiPSOC混合信號陣列架構為基礎的賽普拉斯半導體公司的CapSense解決方案。CapSense在實現時采用了兩種觸摸感應方式
，CapSense逐次逼近(CSA)和CapSense增量求和(CSD)
，這兩種方式均經過了優化
，因而能夠應對設計電容感應係統時所遇到的種種挑戰。CSA和CSD方fang式shi均jun在zai掃sao描miao之zhi間jian定ding期qi更geng新xin動dong態tai基ji線xian，以yi減jian少shao環huan境jing變bian化hua帶dai來lai的de影ying響xiang。這zhe樣yang
，隨sui著zhe具ju體ti設she備bei的de溫wen度du的de變bian化hua，基ji線xian也ye隨sui之zhi進jin行xing調tiao整zheng。這zhe種zhong變bian化hua趨qu勢shi由you基ji線xian進jin行xing自zi動dong追zhui蹤zong，以yi抵di消xiao溫wen度du和he濕shi度du變bian化hua帶dai來lai的de影ying響xiang。在zai這zhe種zhong方fang式shi下xia
，可ke編bian程cheng電dian容rong式shi感gan應ying解jie決jue方fang案an能neng夠gou給gei設she計ji者zhe提ti供gong更geng大da的de有you效xiao設she計ji區qu域yu，從cong而er能neng夠gou滿man足zu設she計ji方fang案an中zhong多duo項xiang因yin素su的de要yao求qiu。

此外，通過聯合運用屏蔽電極和保護傳感器，並在電容式感應中采用CSD方fang法fa
，可ke以yi讓rang設she計ji方fang案an真zhen正zheng達da到dao防fang水shui的de效xiao果guo。這zhe種zhong觸chu摸mo方fang案an提ti供gong了le可ke靠kao的de觸chu摸mo檢jian測ce功gong能neng，並bing能neng夠gou消xiao除chu由you於yu水shui滴di和he水shui流liu所suo導dao致zhi的de虛xu假jia檢jian測ce事shi件jian。屏ping蔽bi電dian極ji能neng夠gou減jian少shao水shui滴di在zai物wu理li層ceng麵mian上shang的de影ying響xiang，而er防fang護hu傳chuan感gan器qi能neng夠gou在zai邏luo輯ji電dian路lu層ceng麵mian上shang對dui決jue策ce邏luo輯ji操cao作zuo進jin行xing複fu位wei。

CapSense器件受PSoC混合信號陣列產品的支持，因此能夠讓設計者在同一芯片上同時操作按鈕、滑動觸頭、觸摸屏
、觸摸板和接近傳感器。CapSense還獲得了預先配置好固件的用戶模塊
、參考代碼和校準工具的支持，讓電容式感應應用的設計工作變得快捷、輕鬆而高效。這種預先定義的固件開發工具包括器件互連、I／O驅動模式和API。在PSoC Designer和PSoC Express開發工具中，隻需點擊幾次鼠標即可創建上述工具。參考代碼提供具有基本功能的起點

，而PSoC解jie決jue方fang案an所suo采cai用yong的de開kai源yuan格ge式shi可ke以yi實shi現xian對dui任ren意yi項xiang目mu的de定ding製zhi和he優you化hua。校xiao準zhun工gong具ju能neng夠gou通tong過guo對dui電dian容rong輸shu入ru進jin行xing實shi時shi反fan饋kui而er提ti高gao開kai發fa工gong作zuo的de速su度du。通tong過guo校xiao準zhun工gong具ju，用yong戶hu可ke以yi調tiao整zheng參can數shu、增加靈敏度
，並可以逐個校準傳感器。

PSoC器件並不僅僅具備電容傳感器功能。它所擁有的模擬和數字資源還具有各種其它用途。所有PSoC器件產品均擁有基本的數字電路控製功能。通過配置，PSoC可以驅動LED、控製簡單的8位脈衝寬度調製器，並能通過I2C、SPI或其它通信協議進行通信。功能更強的器件產品還擁有更多的數字電路功能和基本的模擬電路功能。同一個PSoC器件既可以配置成電容傳感器，也可以配置成溫度計或電壓監測器。

PSoC混合信號陣列產品屬於一種可配置陣列產品，擁有數字和模擬資源

、閃存和RAM
、一個8位微控製器

，並具有一些其它功能。這些功能讓PSoC能夠在自己的CapSense產品組合內實現各種創新性的電容感應技術。采用PSoCzhiguanyidongdekaifahuanjingkeyiduiqijianjinxingpeizhihezhongxinpeizhi，yimanzushejiguigeheguigebiangengdeyaoqiu。zhexiexinxingganyingjishubiaoxianchulegenggaodelingminduhegengqiangdekangraoxing，gonghaogengdi
，gengxinsudugengkuai。