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电容检测原理
一些重要材料的介电常数如下表
材料 介电常数
材料 介电常数
合成树脂粘结剂 3。
6
酒精 25。
8
云母 6
玻璃 5
大理石 8
硬纸 4.5
纸 2.3
电缆胶皮化合物 2.5
有机玻璃 3.2
汽油 2.2
硬橡胶 4
聚乙烯化合物 2.9
笨乙烯 3
石英玻璃 3.7
陶瓷 4。
4
硅 2。
8
石蜡 2。
2
木材 2。
7
石英沙 4.5
水 80
软橡胶 2。
5
PET3。
6
OCA2。
2~2。
4
一、用MSP430基于张弛震荡器的检测
图就是使用MSP430内部的比较器来实现一个张弛震荡触摸按键的的电路。
在在输入端，比较器的正接到了一个电阻网络，比较器的负接到了电阻Rc与感应电容之间。
比较器所接的电阻网络为比较器提供了参考电压，而这个参考电压又受到了比较器输出反馈的激励，所以其值在1/3Vcc和2/3Vcc之间反复变化。
造成张弛振荡器的持续震荡,其震荡频率可由以下公式算出：
fOSC=1/[1。
386×RC×CSENSOR］
当手指接触到触摸按键以后，显然，CSENSOR的值将会被改变，于是fosc也随之变化。
如果我们能够检测到这种变化的话,也就自然知道何时触摸按键被“按下”了。
检测的方法也很简单，上面我们说过，当手指接触到触摸按键以后,CSENSOR的值将会被改变，于是fosc也随之变化。
频率的倒数就是周期,只要我们在一个固定的时间内去计算上升沿或下降沿的数目，那么如果在某一时刻该数目有较大的变化的话，那就说明CSENSOR的值已经被改变，即按键被“按下”了.
二、MSP430基于电阻电容充放电时间的检测
第二种方法就是基于电容充、放电时间长短的检测，下图给出了这种触摸检测方法的原理图。
在这种方法中，主要检测的是电容充电和放电的时间。
首先,由一个GPIO（Load）对电容Cx进行充电；同时开启计时器进行计时；随着充电的进行,Cx的电压中不断升高，最终它将会操作某个门限电压V,当其超过门限电压V后,AcqI/OGPIO将会检测到这个事件,同时停止计时器并读出此时的数值。
这样,就完成了一次充电计时过程，当手指接触到触摸按键时，Cx将会变大，显然,充电时间也会变长。
通过不断比较每次充电的时间,很自然地就能得知当前是否有按键被“按下"。
同样，既然能检测充电时间，那么也能检测放电时间。
这里不再赘述.
CYPRESS方式
1。
1。
CSA感应方式
CSA是指CapSense逐次逼近感应方式，只能在CY8C20x34PSoC系列器件中应用。
图3CSA结构图
图3显示了CSA的原理方框图，其工作流程如下：
开关SW1和SW2与感应电容CX形成了一个开关电容网络，该网络可以等效为电阻。
通过将iDAC设置到校准电平并使SW1和SW2切换，从而将CMOD上的平均电压设定为随CX值而变化的电平。
另外可设置iDAC至低电流电平并保持SW2打开，使得CMOD上的电压斜坡上升。
在CMOD上用于达到VREF的斜坡电压的时间表示CX值。
在比较器输出端的定时器可将斜坡时间转化为具体的数值。
在没有手指接触时,通过逐次逼近方式来确定需要的iDAC设置，从而使CMOD上的电压保持在VREF，这样即可实现系统自校准。
系统将为所有sensor存储单独校准的iDAC设置。
当手指接触时，CMOD上的电压会处于更低的电压电平，这需要更多的时间才能达到阈值电压VREF，如图4所示。
如果（t2—t1）足够长,按钮就是处于手指接触（Finger—Present）状态，否则按钮就是处于手指离开（Finger-Absent）状态。
高达100pF的内部可编程电容可用于CMOD，但是更大的外部电容能够提升性能:
按钮和滑条的电容为1000pF,而接近式感应则为10nF.推荐将560欧姆的串联电阻与所有CapSense输入串联以避免RF干扰。
图4在手指离开与手指接触的情况下，CSA波形的变化
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1.2。
CSDSensingMethod
1.2.CSD感应方式
CSDstandsforCapSensewithSigma—DeltaA/D.CSDisimplementedinboththeCY8C21x34andCY8C24x94PSoCdevicefamilies。
CSD是指CapSenseSigma—Delta调制电容感应,其可在CY8C21x34和CY8C24x94PSoC系列器件中应用.
Figure5.CSDConfigurationofCapSense
图5CSD结构图、
图5显示了CSD的原理方框图,其工作流程如下：
开关SW1和SW2与感应电容CX形成一个开关电容网络，从而在VDD和CMOD之间具有一个等效电阻。
等效电阻的值由CX控制。
SW1和SW2的开关由PRS生成器的伪随机序列进行控制.SW3工作时与SW1和SW2不同步。
将RB切换至接地时,CMOD上的电压会下降。
当RB接通时，CMOD上的电压又会上升。
比较器会根据CMOD上相对于VREF的电压而更改状态.
可通过添加16位定时器形成Sigma—DeltaA/D，以测量比较器高电平持续时间至比较器低电平持续时间.
当手指接触时，CX会变大而VDD的等效电阻变小,这就能允许更多电流流入CMO。
比较器将花费更多的时间在CMPHIGH状态上，而CMPLOW状态的时间则会更少。
如果CMPHIGH/CMPLOW的比率足够高，那么按钮就会处于手指接触状态，否则按钮就会处于手指离开状态，如图6所示.
Figure6.CSDWaveformChangesWithFingerAbsent/Present
图6在手指接触与手指离开的情况下,CSD波形的变化
与固定时钟源相比，PRS更能有效降低噪声.推荐采用3900pF的CMOD值。
RB要求调谐至sensor以获得最佳性能，其值大约为5K—10K。
推荐将560欧姆的串联电阻与所有CapSense输入串联以避免RF干扰.
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2.HowtoDesignCapSensePrintedCircuitBoards
2、如何设计CapSense印刷电路板
在典型CapSense应用中,可通过印刷电路板（PCB）的布线来形成电容感应。
下列指南说明了如何设计CapSensePCB（见参考书目[2］）。
2。
1.布线布局指南
电路板面积：
CapSense所需的电路板面积只比感应区自身稍大。
Sensor周围的电场非常局限,尤其将接地层和Sensor铜箔置于相同的PCB层上时更为如此。
PSoC布局:
使PSoC与Sensor之间的距离保持最小化是一个不错的做法。
通常将PSoC与其他组件一起贴装到底层,而将CapSenseSensor置于顶层上.
板层：
最常见的PCB为双板层，Sensor和栅格地层位于顶层，而其他器件则处于低层.当板区必须最小化时可采用四层板。
典型的设计为处于顶层的Sensor，第2层走线,第3层为接地层，然后其他都在底层，如图7所示。
不要直接在Sensor下布线。
图7板级空间有限时，CapSense电路扳的四层布板情况
电路板厚度：
目前发现基于FR4的设计可采用的标准电路板厚度为0.020"（0.5mm）、0。
047"（1.2mm）和0。
063"（1。
6mm）。
那么电路板多薄才合适呢？
一个经验法则就是Sensor与接地层之间的间隙应比其至接地层的垂直距离要小。
走线长度和宽度：
必须使走线和Sensor的寄生电容CP最小化以确保系统的动态范围尽可能大。
那么走线到底应该多长呢？
在成功的CapSense产品中，用于滑条的最长走线是9"（230mm），而用于按钮的最长走线是12"（300mm）.（这个极限值示例要求更大的Sensor和更薄的覆盖物，以最大化来自Sensor的信号。
）走线宽度将添加至SensorCP，并且会增加耦合至其他层上的元件。
0。
0065”—0。
008”（0。
17—0.20mm）的走线宽度能满足大多数应用的需要.
过孔：
应使用最少的过孔并与CapSense输入的走线保持一致以最小化CP.可在Sensor上的任何位置进行过孔布置,如图8所示。
图8触摸板的过孔可以在Sensor的任何位置（底层走线、顶层Sensor）
通讯信号走线:
电容式感应走线不要接近或并行于高频通讯信号走线，例如I2C或SPI主控制器。
如果需要让通讯信号走线与Sensor引脚交叉，那么应确保二者彼此垂直。
是减小通讯信号走线和Sensor走线之间交互的有效方式之一，就是通过端口分配来实现隔离.端口引脚P1[0]和P1[1]用于编程和I2C,并且如果没有其他引脚可用就应该仅用于CapSense。
铺地层：
为了使CP最小化,推荐在Sensor层上进行40%的铺地,而非Sensor层则进行60—80%的铺地。
图9最小化CP的部分铺地
覆盖物厚度:
表1针对PSoCCapSense应用（塑料覆盖物）列出了所推荐的最大覆盖物厚度。
介电常数在确定覆盖物厚度时起到一定的作用.普通玻璃其介电常数εr≈8,而塑料的介电常数εr≈2。
5.对于相同水平的灵敏度，根据εr/2。
5的比率就能估算出塑料覆盖物的厚度.依据这种经验法则，对于同一灵敏度的普通玻璃覆盖物的厚度就应大约是塑料覆盖物厚度的三倍.
表1针对CapSense应用推荐使用的塑料覆盖物的厚度
信号和噪声都会受到覆盖物属性的影响。
当覆盖物的厚度增加时，信号和噪声都会减弱。
其中典型的关系曲线如图10所示。
可将信号定义为手指接触和手指离开状态平均输出中的差值。
噪声可以定义为在手指离开的状态下输出的峰—峰值差。
图10随着覆盖物厚度的增加,信号电平开始下降
覆盖物粘合剂：
覆盖物材料必须与感应PCB保持良好的机械接触。
3M公司可提供两种广泛使用的非导电性粘合剂，其可用于覆盖物467MP和468MP.
手套：
如果Sensor必须在戴手套的情况下工作，那么在设计按钮尺寸时应将手套材料的厚度添加到总的覆盖物厚度中。
干皮革和橡胶与塑料类似，其介电常数介于2。
5—3.5之间。
滑雪手套的介电常数为2或更小，这取决于手套绝热的空气含量。
LED背光：
CapSense能够与LED背光一起出色地工作,仅需在感应铜箔上截一个孔并保持LED走线位于电路板的底层即可。
一个PCB上有多个PSoC：
对于拥有许多按钮的系统来说，例如键盘，系统设计时可能要求具有两个或多个专用于CapSense的PsoC。
如果情况确需如此，就应隔开按钮以便使铺地从每个按钮组的走线中独立出来。
此举可防止独立的CapSense组之间发生耦合。
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2。
2。
按钮
按钮的功能是判断导体是否存在.CapSense按钮的典型应用是感知手指的触摸。
形状：
用于感知手指触摸的推荐形状为实心圆形，如图11所示。
图11推荐使用的形状为实心圆形
当按钮周围的间隙增加时电容CP反而会降低.CP与间隙的曲线关系示例如图12所示，图12还显示了三种按钮尺寸（直径5mm、10mm和15mm）的情形.
图12CP为按钮接地间隙与按钮直径的一个函数（0。
062”厚度，FR4）
保护性覆盖物越厚，按钮直径就应越大。
图13显示了按钮直径的使用指南。
对于1mm厚的有机玻璃覆盖物,推荐的按钮直径是9mm。
图13按钮直径与覆盖物厚度的关系
2。
3。
滑条
滑条是一个Sensor阵列。
相邻电容元件之间的变化可用于确定导体的位置。
通过使用中心点计算即可在固件中确定接触点位置.
滑条段（slidersegment）必须足够小以便于多个片段能与手指接触，如果足够大的话,就会产生通过覆盖物所需的信号电平.锯齿形状很适合于滑条，滑条段最好有5个或以上。
滑条的最大长度只受到PSoC中可用IO引脚的限制.典型的滑条形状如图14中所示。
上面每个滑条片段的条形图代表了Sensor输出。
图14使用滑条产生的锯齿图案
滑条复用：
如果IO引脚数目有限，那么将两个滑条段连接到一个PSoC引脚上就能使PSoC感应滑条段数量翻倍。
CapSense用户模块向导支持用户选择这种接法并将其作为引脚分配的选项，并且用户模块API能正确地确定手指所触摸的半边滑条。
请注意，将每个CapSense输入引脚连接至两个滑条片段会使CP翻倍，但信号不会有任何增多。
2.4。
触摸板
CapSense用户模块不直接支持触摸板，但可将触摸板作为两个独立的滑条使用。
所有适用于滑条的指南同样也适用于触摸板。
图15利用两个CapSense滑条实现触摸板，一个用于X轴，一个用于Y轴
CapSense触摸板的典型示例就是有着20列滑条（X轴）和10行滑条（Y轴）的设计。
总共要将30个引脚用于CapSense输入。
活动区域的尺寸为3.9"x1。
9”（99mmx47mm），覆盖物为0.010"（0.25mm）的ABS塑料层。
行和列Sensor之间留有0。
2"（5mm）的间距。
基准线噪声电平在手指离开状态下是单一的计数。
手指在触摸板上会产生15个计数的差分信号，这会导致24dB的信噪比（SNR）.设置中心点算法即可确定每个行对和列对之间的20个位置，该触摸板系统的分辨率每英寸计数（CPI）为100。
2.5.接近式感应
CapSense用户模块不直接支持接近式感应，但可将接近式感应可以由大CP和计数差值小的CapSense按钮来实现.专用接近式感应的最佳实施办法是作为单一的线路长度,如图16所示。
把CapSensePCB上的按钮和滑条连接至单一的大Sensor，这是实施接近式感应的另外一种技术。
图16接近式感应原型的后视图
2.6.柔性电路
柔性电路能很好适用于CapSense。
在印刷电路板中提到的所有相同的指南同样也适用于柔性电路。
柔性电路通常比PCB要薄一些。
通过使用不薄于0。
01”（0。
25mm）的柔性电路来限定CP，并且可将走线长度限制为几英寸。
柔性电路的一个良好特性是Kapton材料（290KV/mm）可提供高击穿电压。
2.7。
ITO触摸屏
ITO是铟锡氧化物的英文缩写.这种陶瓷材料的薄膜不仅可以导电,而且非常透明。
ITO触摸屏的示例如图17所示.ITO薄膜的电阻率范围为0。
25-1000欧姆/平方，并且其典型值介于100-500欧姆/平方之间.薄膜的厚度决定了电阻率。
材料越薄,通过的光线就越多，其产生的电阻也会越大。
反之，材料越厚,通过的光线就越少，其产生的电阻也会越小。
触摸屏可运行于电阻式或电容式下。
两种模式都有其适合市场.电阻式要求存在压力以使导电层保持接触，更容易磨损和破裂。
这种模式是一种具有较差透明度（<75%）的四层板解决方案。
电容式可使用手指作为导体.该模式是一种具有较高透明度（>90％）的单层板或双层板解决方案.赛普拉斯能同时支持这两种触摸屏技术.
图17ITO触摸屏
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3。
从概念到生产：
CapSense工具和技术
3。
1.评估板和示例
图18CY3212-CapSense培训评估板
如图18所示，CY3212板是一款用于CapSense应用开发的评估板.应用固件上写有“C”字样.通用功能库使得项目开发就和写入几行代码一样的简单。
此处的代码示例其目的是要求在一个按钮阵列中扫描两个Sensor并将结果保存到I2C阵列中。
代码1
3.2。
基准线技术
Baseline是用于CapSense测量的参考线.每个电容式Sensor都有其自身的基准线。
对电容式Sensor数据来说，Baseline就是一种基准线，这些数据可通过CapSense用户模块的基准线进行比较、计算得出。
可IIR低通滤波器来处理原始计数数据，如图19所示.例如手指接触和手指离开状态，都是基于基准线建立的参考电平。
图19Baseline就是CapSense数据的基准线,该数据不断更新
3。
3。
环境影响
温度和湿度：
温度和湿度都会导致基准线计数随时间漂移.CapSense用户模块具有从—40ºC到+85ºC的特征，如图20所示。
由基准线所追溯的趋势可自动补偿温度和湿度所造成的不良影响。
图20混度变化（原始计数会随温度漂移，湿度也具有相似的影响）
水：
当覆盖物上出现雾状沉淀或者有小水滴溅到Sensor上时，CapSense仍然能够可靠运行。
可通过灵巧的机械设计来处理有水情况。
设计Sensor时使其垂直或保持一定角度以使水能迅速流出表面；并且在Sensor外面区域的覆盖物上增加沟槽以帮助水分流掉.另外,还使按钮突出以防止水坑的形成。
CapSense在置于水中或持续的水流流经Sensor的情况下，将无法正常工作。
3。
4。
功耗和休眠
电池使用寿命以毫安/小时表示.平均电流越低，CapSense工作时间就会越长（见参考书目[3］）。
可对PSoC进行编程以使其具有不同的功耗模式。
在连续触摸按钮时，处于快速响应模式.
经过一段时间没有动作时，处于省电且缓慢响应的模式。
长时间没有动作时，处于深度休眠模式。
与其他电容感应解决方案相比,PSoC的优势之一是其可编程性.用户可根据需要，使CapSense进入省电模式。
CapSense按钮的响应速度非常之快,每扫描一次按钮仅需200微秒。
可将这种高扫描速度与低休眠电流相结合以获得很低的平均电流。
CapSense系统的一个实例是处于省电且缓慢响应模式时，可每100毫秒对三个按钮扫描一次,而其消耗的平均电流不足50μA。
3。
5。
噪声过滤
通过传导和辐射源会将噪声引入到CapSense系统中.传导性噪声可通过电源和信号线路进入系统。
蜂窝电话或荧光灯镇流器之类的辐射源可通过空气引入噪声。
当这两种类型的噪声都存在时，固件中的过滤技术可用于增大CapSense系统的信噪比（SNR）。
PsoC仅仅需要几行代码就能够实施FIR和IIR数字滤波器。
FIR滤波器：
与电源线路噪声的频率相比，手指触按事件的频率会偏低。
在此情况下,低通滤波器（LPF）就成为一种非常高效的噪声过滤解决方案。
FIRLPF可定义如下：
y=（x1+x2+…+xN）/N
（1）
每个噪声周期会对原始计数采样N次.N个采样可根据公式
（1）结合到一起。
在50Hz的噪声环境下，采样周期必须为18ms/N。
FIR滤波器的性能会随着N的次数增加而提高,因此只要系统允许就应使N值尽可能大。
IIR滤波器：
FIR滤波器在这方面的不足之处是它需要采用比IIR更高阶的滤波器才能获得相同的结果.这也许会使我们难以调节采样速率以使其与噪声周期相吻合。
因此在某些时候，对LPF来说，IIR滤波器是更为合适的选择。
表2对FIR滤波器和IIR滤波器进行了具体比较。
表2低通滤波器FIR与IIR的比较
3。
6.RF抗干扰性考虑因素
RF可干扰任何电容感应系统的运行，包括CapSense（见参考书目［4]）。
在电场强度足够高的地方，RF干扰会导致误判的按钮触摸事件，或者妨碍了真正的按钮触摸感应。
蜂窝电话就是很好的例子，其将RF发送器和按钮近距离地有意结合到一起。
从发送器开始超过1/6波长距离的电场强度可通过公式
（2）近似得出.
E［伏特/米］=电场
P［dBm]=供给天线的RF功率
D[英寸]=天线至感应Sensor的距离
对于在+28dBm（0。
6W）功率下发射信号的800MHz蜂窝电话，距离天线3"的电场可估算出大约为60V/m.
图21显示了在RF干扰情况下的等效电路，例子中采用经过配置的PSoC来运行CapSense内部的二极管以保护PSoC免受ESD事件影响，最高可达2KV.
图21PSoC输入端的二极管可提供ESD保护
走线的谐振效应可形成接收器天线。
四分之一波长的走线就是一款高效的天线。
图22显示了四分之一波长的天线与频率的关系曲线。
图22四分之一波长的走线就是一款高效的天线
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对于低电平的RF信号，CapSense电路不会对系统的数字输出有任何的影响，因为低电平的RF信号看起来像是背景噪声，因而系统往往会忽略这种噪声。
当RF功率增加时，CapSense计数会偏移恒定的数量，该数量可通过干扰的功率电平进行设定.RF信号为交流信号，但是由于CapSense输入端上二极管的作用使得对CapSense计数的影响却是直流信号。
计数中的正漂移可导致误判的按钮触摸事件,而负偏移则会妨碍感应到真正的按钮触摸。
CapSense用户模块的手指和噪声阈值允许在计数中存在小偏移,在此情况下仍可正常工作。
对于高电平的RF干扰,就需要采用其他的测量办法。
以下是两种可用的解决方案：
升级会员 