基于Cypress Capsense MBR产品的电容触摸按键设计

电容触摸感应技术通过测量板（传感器）和其环境之间的电容变化，以测试触摸界面附近是否有手指，感应功能是利用硬件和固件组合来实现的。

图1-1.电容式触摸按键基本结构

1.     电容式感应方法
使用自电容或互电容可以测量两点之间的电容。

1.1.    自电容

自电容使用一个引脚，并测量该引脚和电源地之间的电容。自电容感应系统的工作原理是，驱动与传感器相连的引脚上的电流并测量电压。若将手指放在传感器上，则测得的电容会增加。自电容感应最适合用于单点触摸传感器，如按键和滑条。

对于单点触摸传感器和滑条，Cypress的CapSense MBR解决方案使用自电容感应，因为该技术能有效地使用引脚。

1.2.    互电容

互电容使用一对引脚，并测量这对引脚之间的电容。互电容系统的工作原理是，驱动发送引脚上的电流并测量接收引脚上的电荷。若将手指放在发送和接收引脚之间，则测得的电容会减少。互电容效应最适合用于多点触摸系统，如触摸屏和触控板。Cypress TrueTouch®触摸屏解决方案使用互电容感应技术。

2.    自电容等效模型

在CapSense自电容系统中，使用名为CX的控制器测量传感器电容。当手指不在传感器上时，CX等于系统的寄生电容（CP）。寄生电容是分布电容的简化形式，其中包括传感器导电块效应、覆盖层效应、CapSense控制器引脚和传感器垫导电块之间走线的效应、穿过电路板的过孔的效应以及CapSense控制器引脚电容的效应。CP与传感器导电块周围的电场有关。尽管图1-3仅显示了传感器导电片周围的电场线，但实际电场比这复杂得多。

图1-3.寄生电容和电场

当手指触碰传感器表面时，手指和传感器垫片会通过覆盖层形成一个简单的平行板电容。该电容被称为手指电容，即CF，并在公示1得到定义。CF是分布电容的简化形式，其中包括人体和返回路径对电路板接地层的效应。

公式1 

其中：
ε0=空气介电常数
εr=外覆层的绝缘常数
A=手指与传感器板外覆层的接触面积
D=外覆层的厚度

图1-4.CapSense系统等效模型

当手指位于传感器表面时，CX等于CP和CF的总和。

公式2 

Cypress Capsense MBR控制器电容将CX 转换为相应的数字计数，称为原始计数。 由于手指触摸时会增加传感器引脚的总电容，因此原始计数的增量将表示有手指触摸。 由于寄生电容 CP 增加，因此 CF 与 CP 之间的比率会降低 — 电容的每一单位充电量的变化对应手指触摸相应降低。 这样，当 CP 增加时，将更难以检测触摸。通常， CP 比 CF 大一个数量级以上。 CP 的范围通常为 10 至 20 pF，但在极端情况下可以高达45 pF。 CF 的范围通常为100 至 400 fF。

3.    CapSense感应技术
3.1.    感应方法

目前电子行业中有很多种电容感应方法。其中包括：
•    电荷转移：手指触摸所产生的传感器电容变化会使传感器电容和基准电容之间的电荷转移发生变化。这些逐量增加的电荷包在基准电容达到基准电压后会停止转移，这表示存在触摸。
•    张弛振荡器：使用传感器电容直接设置其频率。通过追踪振荡器频率的更改可以检测出传感器上因手指触摸而产生的电容。如果进行手指触摸，则传感器电容会上升，而振荡器频率会下降。
•    TX-RX：：互电容系统中，TX端产生源驱动波形，通过RX端上的回应进行电容感应。接收到的信号反应了传感器电容的变化。
•    ADC：用电流源在电容上生成线性电压斜坡。该电压成为一个模拟比较器电路的输入。对比较器输出进行监控，每当电压由高到低时，计数器都会计数一次。

Cypress的CapSense器件使用含Delta-Sigma调制器（CSD）的CapSense或CapSense逐次逼近（CSA_EMC）来测量传感器电容。这两种方法是ADC方法的两种不同形式。

3.2.    电容转换

CapSense算法将传感器电容转换为数字计数，称作原始计数。原始计数被解析为传感器的“触摸”和“无触摸”两种状态。原始计数的数值是传感器电容的数字表示，它随着电容的增加而增加。敏感度用来衡量在给定输入变化量下输出变化量的多少的情况。CapSense传感器的敏感度单位为每pF的计数量。

3.3.    CY8CMBR3xxx中的电容触摸感应方法

Cypress CapsenseMBR系列产品CY8CMBR3xxx控制器使用电容触摸感应方法—CapSense Sigma-Delta PLUS（CSDPLUS）—将电容的变化转换为数字计数。CSDPLUS触摸感应方法提供一个较好的信噪比（SNR），以确保在极端噪声环境下触摸的准确性。

CY8CMBR3xxx器件中的CSDPLUS CapSense感应方法是将CX整合至开关式电容电路中，如图1-5所示。通过开关Sw1和Sw2，选择性地将传感器（CX）连接到GND和模拟MUX（AMUX）总线。Sw1和Sw2由预充电时钟驱动，通过模拟复用器（AMUX）总线释放电流（ISENSOR）。ISENSOR的数量级与CX的数量级成正比。Sigma-Delta转换器对AMUX总线电压进行采样，并产生一个调制的位流控制的恒流源，IDAC。IDAC对AMUX进行充电，以便维持AMUX总线电压的平均值为VREF。传感器释放调制电容（CMOD）中的电流ISENSOR。CMOD 与 Rbus 共同构成一个低通滤波器，该滤波器消弱了 Sigma-Delta 转换器输入的预充电转换瞬态。

图 1-5.CSD PLUS 框图

为了维持AMUX总线的电压为VREF，Sigma-Delta转换器通过控制位流占空比将IDAC输出电流与ISENSOR进行匹配。Sigma-Delta转换器在传感器扫描期间内存储位流，累积结果为数字原始计数输出，该值与CX成正比。此原始计数由高级算法进行计算，以便求得传感器的状态。图1-6表示从手指触摸传感器到释放这段时间内多次连续扫描得出的CSDPLUS原始计数。正如CapSense基本原理所解释，手指触摸使CX增加到CF，依次使原始计数按比例增加。通过比较基于稳定状态下原始计数的变化量和预定阈值，高级算法能够确定传感器是在ON（触摸）还是OFF（未触摸）状态。

图1-6.感应算法输出

至此，基本上描述了电容触摸按键技术的原理和Cypress Capsense MBR方案的实现方式，下期文章将继续就电容触摸按键设计相关内容继续进行探讨。