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Chipsbank电容触摸按键实现方案v1.0Chipsbank电容触摸按键实现方案

日期:2014年4月18日 16:28

触摸感应按键由于使用舒适、美观且不涉及机械运动而在日常的人机界面应用中得以普及,尤其是电容触摸感应技术可以通过手指的轻触即可实现界面交互,因此相比其他技术更受青睐。本文将对电容式触摸感应技术基本功能实现及软件应用方案进行简要概述。

1:电容式触摸感应原理

当任何具有电容特性的物体(如手指)接触电容式触摸传感器时,都将因其介质特性充当另一电容。这将改变系统的有效电容,从而影响固件采集ADC转化后的数字信号量,经过算法处理后确认有触摸动作并实现不同的应用功能方案。

如图1所示手指充当一个平行级板,另一个平行铜焊盘极板连接到芯片的传感器输入端。人体表面会附着一些电荷,当手指接触导体时,将会产生一个耦合到地的电容,在确定触摸时它将反应为测量电压的变化。

 

 

 

                                   1 电容触摸感应原理

 

一般典型的电容式触摸感应系统组成有三个主要模块:一个用于电容式感应的模拟模块,一个用于处理数据的控制器和一个用于与主处理器进行通讯的接口模块。

2CBM70xx功能资源和接口

   CBM70xx 触控按键芯片是一款集成8 MCU的专用芯片,内置用户code RAM区,8kbyte MTP供用户代码扩展和系统参数配置,能够处理不同应用的复杂算法。构建的多种功能模块可满足不同类应用的需求,最大18sensor 通道,可与gpio 复用;提供PWM输出,脉宽可调等,具有很强的抗干扰能力。

       CBM 70xx提供uarti2c接口模块与master设备通讯,也可以通过修改固件实现由GPIO定义的私有协议格式与master通讯。采用uart通讯接口,当有触摸时可由70xx主动响应并发送事件信息;采用i2c通讯接口时,可使用中断或查询模式与master设备通讯,如果单片芯片的sensor通道数不能满足应用需求时,可通过i2c 总线多片级联的方法解决,图二是2片芯片级联应用框图。

 

 

                                   2:两片70xx 芯片级联和结构示意

 

使用多片级联时,i2c master设备通讯采用查询方式将会省去使用中断响应的GPIO口。

3:应用功能实现

CBM70xx有多种功能应用可在不同的产品领域灵活配置和开发,可实现按键,滑条和圆环等应用功能。内置固件算法可适应不同的工作环境,按键应用具有可靠的防水、防磁干扰功能。这些功能构建模块将会实现设计人员想要的触摸应用。

3.1:触摸按键功能

     触摸按键侦测确认取决于手指的阈值,手指触摸按键后由于电容的变化将会产生明显的count 增量变化,如图3所示,当count 增量越过阈值后则可确认此sensor 电极有手触摸,并且其他相邻的sensor会有微弱的count 增量变化,但远不能达到阈值之上,只在噪音范围内波动可通过软件算法处理。

 

 

3:四个按键的手指触摸感应

 

3.2:触摸滑条功能

触摸滑条的实现是基于按键基础上的,是一个动态移动的过程,如图4所示,获取一个相邻的sensor count 增量会有明显的变化,然后有固件滤除干扰后加速分析移动过程中获取的信息进行数据处理,再计算相应的移动坐标值。

 

                    

                                  4 滑条的相邻sensor感应效果

 

一个简单完整滑条的分辨率取决于sensor的数目和相邻键之间的步长,当sensor数目N确定后,可知sensor坐标宽度因子,通过计算相邻键的步长S后,就可确定完整滑条分辨的总级数R,即R=N*S

       相邻sensor 之间的具体坐标是由相邻的count值通过加权平均算法实现的。如图5所示,当手指移动靠近时,一个sensorcount值的理论变化情况将会分为8级,级别越低最终计算的坐标值线性度越强,滑条滑动过程中步长逐级均匀延续。另外具有较好的线性度跟sensor电极的形状设计也是至关重要的一个因素。以四个按键设计的滑条,单键步长为8则可实现分辨率为32级的一个滑条。

  

                                   5sensor 步长与count值逐变关系

 

       如果在设计上将滑条的首尾相连,将会构成新的圆环应用,此时只是在图形设计和算法设计上进行更加严谨和周密的缝合即可。

3.3:按键防水功能

sensor面板上有水后,由于水中导电离子的作用,在面板上聚集电荷,形成了新的电容效应,此时将会影响手指触摸效果,时常会产生误触发或按键失效。这是每个触控应用方案都会碰到的问题和面临的设计挑战,能否实现这些差异化而又稳定的应用,将会考量芯片应用设计的严谨性和固件的健壮性。chipsbank在这方面结合原理和实践应用,给设计人员提供了方便的配置构建模块,设计人员只需要借助调试分析工具就可以方便的验证或体验防水效果。

CBM70xx触控芯片能够跟踪寄生电容的变化,自动适应各种温度、湿度等复杂环境的漂变,实时进行自校准,从而消除了由弱电解质水溢出所引起的环境变化不稳定因素,但是如果强电解质液体溢到sensor电极面板,也会形成较强的电荷效应,此时可通过后处理算法进行分析来区别是手指触摸还是电解液覆盖或溢出,从而解决产品应用的难题。

4: 固件算法消除外部干扰

Sensor电极和面板上的介质材料,温度、湿度和污染物以及EMC干扰等诸多因素将会导致电容产生动态波动,从而会影响系统的电容式触摸感应性能。为了对应这些影响,可以利用动态环境跟踪检测,去抖动和动态电平跳变的固件实现。

另外必须结合软件滤波来消除传感器焊盘上的残余噪声,以便固件能够稳健实现各种应用算法。

通过分析软件可看出,采集到sensor上的噪声和干扰,这些干扰可通过不同种类的软件滤波器有效过滤。

均值滤波器:

如图6所示为软件均值滤波在处理前和处理后的采样信号值,均值滤波器可以有效滤除周期波动的电源线信号干扰和环境噪声,通过均值滤波后的采样信号将在一个微小的波动范围,从而增加系统工作的稳定性。

 

 

                          6均值滤波器

 

中值滤波器:

如图7所示为中值软件滤波在处理前和处理后的采样信号值,当芯片在上电瞬间,电流产生脉冲冲击将会影响sensor的采样,当sensor靠近电机等电流互变的工作环境也会产生脉冲冲击,使sensor 面板上的电荷分布游动不均,影响sensor充放电的稳定工作环境。在脉冲冲击干扰时不光有正脉冲,负脉冲也会同时存在,只是两个相反的极端而已,中值滤波同样能够很好的滤除干扰。

 

 

7:中值脉冲滤波器

 

另外,根据pcb板电路的设计和工作环境,在其它类型干扰存在时,chipsbank除了内置滤波算法外还提供了可根据用户code空间灵活扩展对应的滤波处理算法。

5: 软件开发平台

在最短的时间内设计人员能否设计出新颖而又稳定的产品,很大程度上取决于所用的软件开发平台能否能很好地支持所需功能的实现。Chipsbank 触控键开发应用平台提供完善的固件开发环境,质量分析工具,在线调试工具和固件烧录工具。

质量分析工具(如图8所示)将实时采集每个sensor通道的数据,可清晰地显示每个通道的环境噪声变化,电容量,参考基值,以及漂移等,通过分析软件可确认针对不同的硬件平台ADC参数的配置,从而为提取有效的量产参数提供了理论基础。

 

 

                           8 质量分析工具

 

调试工具(如图9所示)对产品应用开发调试至关重要,主要是方便对不同产品和功能的在线调试,而无需将执行码烧录到芯片中,这样会方便并提高应用设计人员开发效率,节约资源成本。确认完好的应用功能固件或参数后,将执行代码进行烧录。另外调试工具提供直观的界面配置和生成功能,不需要修改固件就可以根据硬件设计的sensor 通道配置相应的按键,滑条或圆环,这将更大范围的提高了芯片固件开发过程中与硬件捆绑的制约,而增加了调试的快捷和灵活性。

 

 

                                          9:量产调试软件

 

量产工具环节将最终的执行代码烧录到芯片,同时将会校验或备份确保code安全。为了适应不同阶段的开发和量产,chipsbank将提供pc端量产软件烧录和脱机烧录器两种模式供用户选择。

Chipsbank已提供了完善配套的质量分析工具和量产调试软件应用指导,可以轻松使用并助你设计出众多领域绚丽的触摸界面。具体应用说明可参考chipsbank软件应用平台介绍

6:应用领域

    随着近年来电容触摸感应技术的成熟和更新,触摸按键使用的感觉比机械式按键更有舒滑感和创新性。目前触摸按键已在各个领域中广泛采用,从消费电子产品,家用电器、工业设备,到医疗设备都可以看到触摸的交互界面。相信随着触控技术不断飞跃发展的迭代和稳定,人们对这种操作界面的体验越来越深,未来触控应用市场将备受瞩目。

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