摘要

本文主要介紹了瑞薩電子的靜電電容式觸摸檢測(cè)技術(shù)，包括觸摸開關(guān)檢測(cè)的基本原理和抗干擾技術(shù)。

其中，觸摸原理部分介紹了靜電電容—電流轉(zhuǎn)換原理、電流的數(shù)值化及開關(guān)判定。觸摸技術(shù)的難點(diǎn)——抗干擾技術(shù)部分介紹了硬件實(shí)現(xiàn)的移相技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)，以及由軟件實(shí)現(xiàn)的漂移校正技術(shù)和平滑處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞

電容觸摸;觸摸檢測(cè);觸摸抗干擾

Abstract

This paper mainly focuses on Renesas' capacitive touch detection technology research, including the basic principles of touch-key detection and the noise immunity technology.

The section of touch-key detection principles introduces the capacitance value - current conversion theory, the current digitalization and the touch-key on/off determination. The section of noise immunity technology introduces the phase shifting technology and the spread spectrum technology implemented by hardware, as well as the software drift correction technology and the software smoothing technology.

Keywords

Capacitive touch; Touch detection; Touch noise immunity

1引言

利用人體和電極之間產(chǎn)生的靜電電容進(jìn)行工作的電容式觸摸開關(guān)，最初被應(yīng)用于智能手機(jī)，進(jìn)而又被廣泛地應(yīng)用在了家電產(chǎn)品、AV機(jī)器、汽車以及工業(yè)設(shè)備上。由于觸摸開關(guān)的組成無需機(jī)械部件，因此使用起來非常靈活，甚至可以安裝在堅(jiān)硬的曲面上。本文基于瑞薩電子的靜電電容式觸摸技術(shù)，介紹觸摸開關(guān)檢測(cè)的基本原理以及抗干擾技術(shù)等。

2觸摸開關(guān)檢測(cè)原理簡(jiǎn)介

靜電電容式觸摸開關(guān)通過捕捉人體與電極之間靜電電容(1pF以下)的微弱變化，判斷開關(guān)的ON/OFF狀態(tài)。有很多種方法可以將靜電電容量轉(zhuǎn)換為開關(guān)的ON/OFF狀態(tài)。其中最簡(jiǎn)單的方法，是利用靜電電容和電阻形成低通濾波器(LPF)，通過測(cè)量充電/放電常數(shù)的變化判斷靜電電容的變化。這種方式被稱為張馳振蕩方式。由于其電路簡(jiǎn)單，無需專用的靜電電容測(cè)量電路，因此被廣泛應(yīng)用。但是這種方法的抗噪聲性能偏弱，有時(shí)會(huì)由于照明燈具或家電產(chǎn)品的逆變?cè)肼暥l(fā)生誤判。

瑞薩電子開發(fā)的靜電電容式觸摸檢測(cè)方法，利用開關(guān)電容濾波器(SCF)將靜電電容量轉(zhuǎn)換為電流量，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大和數(shù)字化處理后，根據(jù)它判定開關(guān)的ON/OFF狀態(tài)。這種方法具有靈敏度高，抗噪聲性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。具體的檢測(cè)流程如圖1所示。本章按照?qǐng)D1的流程，說明靜電電容式觸摸開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。

圖.1 靜電電容式觸摸開關(guān)的檢測(cè)流程(“數(shù)字.數(shù)字”表示章節(jié)號(hào))

2.1靜電電容的發(fā)生

靜電電容發(fā)生的機(jī)理如圖2所示。電極和其周圍的導(dǎo)電體(地線、金屬框等)之間存在寄生電容(Parasitic Capacity: Cp)。當(dāng)人體接近、觸摸電極時(shí)，人體和電極之間通過手指產(chǎn)生新增的靜電電容(Finger Capacity: Cf)，并通過可以導(dǎo)電的人體和大地連接(如圖2中紅線所示)。

圖.2 靜電電容的發(fā)生(自電容方式)

電極上產(chǎn)生的靜電電容的總?cè)萘?Total Capacity)，如下所示：

Total Capacity = Cp + Cf

靜電電容式觸摸開關(guān)按照一定周期循環(huán)測(cè)量電極的靜電電容量，并根據(jù)人體接觸時(shí)產(chǎn)生的靜電電容的增加量Cf，判定觸摸開關(guān)的ON或者OFF狀態(tài)。

2.2靜電電容-電流的轉(zhuǎn)換

如2.1章所述，將人體與電極之間產(chǎn)生的靜電電容量轉(zhuǎn)換為電流量的方法使用了開關(guān)電容濾波器(Switched Capacitor Filter: SCF)。如圖3所示，SCF是由2個(gè)開關(guān)、控制2個(gè)開關(guān)交互ON/OFF動(dòng)作的控制脈沖、電源以及電容組成的。

圖.3 SCF構(gòu)成及電容的充放電動(dòng)作

SW1和SW2在控制脈沖的作用下，一個(gè)開關(guān)ON時(shí)，另外一個(gè)開關(guān)OFF。如圖3中的左圖所示，當(dāng)SW1 = ON;SW2 = OFF時(shí)，電容充電。隨后，如圖3中的右圖所示，切換到SW1= OFF;SW2 = ON的狀態(tài)后，電容放電。流經(jīng)電容的電流i、開關(guān)的切換頻率f、電容值c和電路供電電壓v之間的關(guān)系，如下式所示：

i=fcv

如果f和v固定不變，電流i和電容c成正比。因此，可以使用SCF將人體接近時(shí)產(chǎn)生的靜電電容量的變化轉(zhuǎn)換為電流量的變化。通過調(diào)整切換頻率f和供電電壓v，可以改變靜電電容變化量和電流變化量之間的比例系數(shù)。

2.3電流的數(shù)值化

電容的容量值轉(zhuǎn)換為成比例的電流量后，經(jīng)過電流—頻率轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為和電流量成比例的振蕩脈沖。然后，計(jì)數(shù)器對(duì)振蕩脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)而將電流轉(zhuǎn)換為成比例的數(shù)字值。

電流的數(shù)值化流程，如圖4所示。對(duì)SCF的電容循環(huán)執(zhí)行充放電操作時(shí)，電容中會(huì)產(chǎn)生交流電流。后續(xù)的電流平滑電路將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流后，電流輸入到電流振蕩器，轉(zhuǎn)換為頻率和輸入電流成比例的振蕩脈沖。脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)，并保存計(jì)數(shù)結(jié)果。

圖.4 電流數(shù)值化的流程

2.4開關(guān)的ON/OFF判定

如2.1章所述，自電容方式是通過檢測(cè)靜電電容量的增加來判斷人體是否接觸電極的。按照一定周期循環(huán)執(zhí)行2.1~2.3章中介紹的靜電電容量的測(cè)量，可以根據(jù)測(cè)量值的變化判定人體是否接觸電極。

手指接近和離開電極時(shí)，開關(guān)的ON/OFF判定流程如圖5所示。靜電電容量的測(cè)量按圖中所示的時(shí)序每隔一定時(shí)間執(zhí)行一次。計(jì)測(cè)值如圖中藍(lán)線所示，當(dāng)手指遠(yuǎn)離電極時(shí)，保持為一定的計(jì)數(shù)值;當(dāng)手指接近電極時(shí)，靜電電容量和計(jì)數(shù)值逐漸增加。當(dāng)手指再次遠(yuǎn)離時(shí)，計(jì)數(shù)值逐漸下降并保持為一定的數(shù)值。把手指遠(yuǎn)離電極時(shí)的計(jì)數(shù)值作為基準(zhǔn)值(圖中綠色虛線)。在基準(zhǔn)值基礎(chǔ)上疊加一個(gè)閾值，作為臨界值。當(dāng)計(jì)測(cè)值超出臨界值時(shí)，判定開關(guān)為ON。當(dāng)計(jì)測(cè)值低于臨界值時(shí)，判定開關(guān)為OFF。由此，可以實(shí)現(xiàn)靜電觸摸開關(guān)的ON/OFF切換。

此外，改變閾值的大小可以調(diào)整觸摸開關(guān)的靈敏度。改變計(jì)測(cè)周期和計(jì)算多個(gè)計(jì)數(shù)值的平均值，可以抑制開關(guān)的抖顫，調(diào)整開關(guān)的反應(yīng)速度。

圖.5 開關(guān)的ON/OFF判定

3硬件及軟件抗干擾技術(shù)

靜電電容式觸摸開關(guān)是基于靜電電容量的微弱變化而工作的。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量避免噪聲和電源波動(dòng)的影響。

瑞薩電子提供的Touch解決方案，不僅在電容觸摸傳感單元(簡(jiǎn)稱：CTSU)中內(nèi)置了多種噪聲抑制電路，同時(shí)還提供了用于抑制噪聲的軟件濾波器。本章主要介紹CTSU模塊的硬件抗干擾功能和軟件抗噪聲技術(shù)。

3.1硬件CTSU模塊的抗擾度

為了抑制由輻射、傳導(dǎo)引入的噪聲，CTSU內(nèi)置了多種噪聲抑制電路，以穩(wěn)定靜電電容的測(cè)量。以下分別說明這些電路的組成及功能。

3.1.1SCF時(shí)鐘的相移

為了使用SCF將靜電電容量轉(zhuǎn)換為電流量，CTSU按照一定的周期切換SCF開關(guān)的ON/OFF狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電容充電/放電的循環(huán)操作。此時(shí)，如果在電極上混入和SCF開關(guān)同周期的噪聲，并且噪聲的波峰/波谷與充電/放電期間始終一致，那么電流會(huì)因噪聲相應(yīng)增加或減少，進(jìn)而可能造成測(cè)量無法正確進(jìn)行。作為解決同周期噪聲的對(duì)策，CTSU內(nèi)置了SCF驅(qū)動(dòng)脈沖的相移電路。通過反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)脈沖的相位，防止驅(qū)動(dòng)脈沖和噪聲的波峰/波谷同相位。相移由多項(xiàng)式計(jì)數(shù)器決定，1次計(jì)測(cè)中，SCF脈沖的相移次數(shù)和180°相移次數(shù)要一致。

同周期噪聲的影響和180°相移對(duì)同周期噪聲的抑制作用，如圖6所示。充電時(shí)如果SCF驅(qū)動(dòng)脈沖和噪聲的波峰同相，噪聲產(chǎn)生的電流分量會(huì)疊加到電流的充放電波形上。此時(shí)，充電電流會(huì)因噪聲而增加，造成計(jì)測(cè)結(jié)果大于實(shí)際容量。如果噪聲產(chǎn)生的容量大于手指接觸所產(chǎn)生的電容增加量，就會(huì)發(fā)生由于噪聲的干擾，即使無觸摸動(dòng)作，判定結(jié)果卻為ON的誤判。因此，需要按照一定的規(guī)則對(duì)SCF驅(qū)動(dòng)脈沖執(zhí)行180°相移，通過反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)脈沖和噪聲的同步關(guān)系，平衡因噪聲造成的電流量增減。多項(xiàng)式計(jì)算器的次數(shù)和頻率，可以通過CTSU的寄存器調(diào)整。

此外，位移對(duì)策不僅可以抑制同頻率的噪聲，對(duì)頻率為驅(qū)動(dòng)脈沖頻率奇數(shù)倍的噪聲同樣有效。

圖.6 同周期噪聲的影響和180°相移對(duì)同周期噪聲的平衡化

3.1.2SCF驅(qū)動(dòng)脈沖的邊沿?cái)U(kuò)散

噪聲頻率是SCF驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的整數(shù)倍時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖的邊沿會(huì)和噪聲同步，對(duì)靜電電容的測(cè)量造成影響。對(duì)于如圖7所示的噪聲，可以利用和驅(qū)動(dòng)脈沖非同步的信號(hào)對(duì)SCF驅(qū)動(dòng)脈沖的邊沿做歸一化處理，擴(kuò)展邊沿頻率。如前所述，將調(diào)制后的電流輸入到ICO for spread spectrum產(chǎn)生歸一化所用的脈沖，可以避免SCF驅(qū)動(dòng)脈沖與噪聲同步(參考圖8)。

圖.7 SCF驅(qū)動(dòng)脈沖和倍頻噪聲的示例

圖.8 通過擴(kuò)展時(shí)鐘對(duì)SCF驅(qū)動(dòng)脈沖歸一化

3.2軟件對(duì)策

CTSU內(nèi)置的抗干擾電路無法消除數(shù)kHz以下的低頻噪聲。數(shù)kHz頻域的低頻噪聲需要通過軟件方法消除。以下舉例說明抑制低頻噪聲的軟件對(duì)策。

3.2.1漂移校正處理

觸摸檢測(cè)的結(jié)果會(huì)受到溫度、濕度、材料老化等環(huán)境變化的影響。這些頻率為數(shù)kHz以下的緩慢變化，很難通過硬件處理。因此，需要通過軟件積分的方法抑制這些低頻噪聲的干擾。

漂移校正的工作原理如圖9所示。如前所述，基準(zhǔn)值以及在其基礎(chǔ)上生成的ON/OFF閾值是由軟件計(jì)算生成的。計(jì)測(cè)值和生成的閾值逐次比較，進(jìn)而判定觸摸或非觸摸(ON/OFF)。計(jì)測(cè)值積分運(yùn)算后的結(jié)果取平均值作為基準(zhǔn)值，可以平緩環(huán)境變化對(duì)計(jì)測(cè)值造成的變動(dòng)。變更積分運(yùn)算所用的計(jì)測(cè)值的個(gè)數(shù)，可以調(diào)整對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性。

此外，當(dāng)判定結(jié)果為ON時(shí)，暫停漂移校正處理;當(dāng)后續(xù)的判定結(jié)果出現(xiàn)OFF時(shí)，再重啟漂移校正處理。如果判定為ON時(shí)繼續(xù)執(zhí)行漂移校正處理，長(zhǎng)時(shí)間的觸摸動(dòng)作會(huì)造成基準(zhǔn)值逐漸接近計(jì)測(cè)值，并最終等于計(jì)測(cè)值。這時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)果為OFF的誤判。因此，當(dāng)判定結(jié)果為ON時(shí)，要暫停漂移校正處理，防止結(jié)果誤判。

圖.9 漂移校正處理

3.2.2隨機(jī)噪聲的對(duì)策

為了抑制隨機(jī)噪聲對(duì)計(jì)測(cè)值的干擾，軟件中增加了對(duì)計(jì)測(cè)值進(jìn)行平滑處理的軟件濾波器。以下通過實(shí)例對(duì)軟件濾波器進(jìn)行說明。

(1)平滑濾波器

平滑濾波器的實(shí)例，如圖10所示。在本例中，使用本次計(jì)測(cè)值及前3次計(jì)測(cè)值(共計(jì)4次)的平均值作為本次檢測(cè)的計(jì)測(cè)值。通過調(diào)整計(jì)算平均值所用的計(jì)測(cè)值的個(gè)數(shù)，可以抑制不同頻率的噪聲。例如，計(jì)測(cè)周期 = 20ms時(shí)，為了抑制10Hz的噪聲(噪聲周期 = 100ms)，需要使用5個(gè)以上的計(jì)測(cè)值來計(jì)算平均值。需要注意的是，用于計(jì)算平均值的計(jì)測(cè)值個(gè)數(shù)越多，觸摸鍵的反應(yīng)速度越慢。

圖.10 平滑濾波器的示例

(2)上限濾波器

上限濾波器首先比較本次計(jì)測(cè)值和前次計(jì)測(cè)值。如果二者的差值大于預(yù)先設(shè)定的差值上限，則將前次計(jì)測(cè)值與差值上限之和作為本次的計(jì)測(cè)值。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)爆發(fā)式噪聲時(shí)，計(jì)測(cè)值會(huì)出現(xiàn)劇烈的變化。使用上限濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)計(jì)測(cè)值的作用。通過限制計(jì)測(cè)值的急劇增減，抑制因噪聲造成的觸摸/非觸摸的誤判。由于上限濾波器削減了噪聲的峰值，因此在抑制噪聲方面，比前面介紹的平滑濾波器更為有效。但同樣需要注意的是，設(shè)定時(shí)縮小差值的上限/下限，會(huì)增加觸摸檢測(cè)的時(shí)間，從而降低觸摸鍵的反應(yīng)速度。

3.2.3抖顫噪聲的對(duì)策

和機(jī)械觸點(diǎn)型開關(guān)相同，使用觸摸鍵有時(shí)也需要消除抖顫。以下說明消除抖顫的對(duì)策。

(1)N次一致法

判斷觸摸鍵ON→OFF、OFF→ON的狀態(tài)變化時(shí)，如果連續(xù)N次的判斷結(jié)果均一致，即N次的判斷結(jié)果均為ON或均為OFF時(shí)，判定為ON或者OFF。增加連續(xù)一致的次數(shù)N，可強(qiáng)化抑制抖顫的效果，但會(huì)降低觸摸鍵的反應(yīng)速度。

(2)多數(shù)一致法

累計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的ON或者OFF的次數(shù)，將次數(shù)多者作為本次的判斷結(jié)果。和上述的N次一致法相比，多數(shù)一致法的判斷速度更快，但去抖顫能力相對(duì)較低。

4結(jié)論

利用靜電電容式觸摸檢測(cè)技術(shù)，可以減少機(jī)械部件的使用，降低成本，并可靈活應(yīng)用于各種面板上。電容式觸摸技術(shù)在使用時(shí)需要特別注意抗干擾的處理。分別針對(duì)不同噪聲干擾頻段，結(jié)合使用硬件及軟件抗干擾措施，可以有效提高靜電電容式觸摸檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

作者：瑞薩電子 劉彥珺 趙豐