中心議題：

• 手機中的電容式傳感

解決方案：

• 采用CapSense技術的PSoC混合信號陣列

在中端手機行業中，用戶界麵的改善是新款手機獲得成功的關鍵。如果一款手機根本沒有人願意用
，那麼它再好又有什麼意義！考慮到這一點，製造商們正專注於開發創新技術
，以便在不降低手機用戶界麵(CPUI)的性能的情況下替換尺寸較大的按鈕和開關。在 CPUI中采用電容式傳感是縮減尺寸的一種行之有效的技術，它可提供低成本
、魯棒性
、靈活性以及一個直觀的CPUI，而且還與現有設備的外形尺寸和功能兼容。電容式傳感功能可以與白光LED驅動和電池充電等其它標準手機功能相組合
，以進一步降低手機的成本。賽普拉斯采用PSoC CapSense World Tour 2006” 係列研討會">CapSense技術的PSoC混合信號陣列可讓製造商輕鬆地在其手機中增加電容式傳感功能。

典型的中端CPUI由幾個按鈕、開關和顯示屏組成。如果隻是想擁有基本功能，CPUI僅需一個字母數字鍵盤
、顯示屏，或許再加上一個電源開關就足夠了。但目前製造商設計的手機能夠瀏覽網頁、發送文本消息、拍攝照片、甚至存儲和播放背景音樂。在消費市場上，這些功能是吸引大多數消費者的關鍵因素。為支持這些功能，製造商需要增加CPUI的功能。對CPUI而言，功能的增加將產生兩種後果：要麼尺寸變大
，要麼更加複雜。不幸的是，消費者同樣對更簡單、小巧的手機情有獨鍾。手機製造商如何才能解決消費者提出的這一難題呢
？一種可能的辦法就是用電容式傳感器來取代傳統的按鈕和開關。電容式傳感器能很容易地替換時下CPUI最為常用的數字開關和線性滑塊。

電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi的de基ji本ben形xing式shi就jiu是shi一yi對dui相xiang鄰lin的de極ji板ban。在zai這zhe些xie相xiang鄰lin的de極ji板ban之zhi間jian存cun在zai著zhe固gu有you電dian容rong，電dian容rong值zhi與yu極ji板ban的de厚hou度du成cheng正zheng比bi
，與yu極ji板ban之zhi間jian的de距ju離li成cheng反fan比bi。在zai理li想xiang情qing況kuang下xia，這zhe是shi傳chuan感gan器qi唯wei一yi可ke測ce到dao的de電dian容rong。當dang把ba一yi個ge導dao體ti(比如手指)放(fang)在(zai)靠(kao)近(jin)兩(liang)塊(kuai)極(ji)板(ban)的(de)地(di)方(fang)時(shi)，就(jiu)會(hui)給(gei)固(gu)有(you)電(dian)容(rong)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)並(bing)聯(lian)電(dian)容(rong)。此(ci)時(shi)，可(ke)測(ce)量(liang)的(de)電(dian)容(rong)值(zhi)便(bian)是(shi)固(gu)有(you)電(dian)容(rong)值(zhi)與(yu)手(shou)指(zhi)至(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)耦(ou)合(he)電(dian)容(rong)值(zhi)之(zhi)和(he)。當(dang)把(ba)手(shou)指(zhi)放(fang)在(zai)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)之(zhi)上(shang)，電(dian)容(rong)將(jiang)增(zeng)加(jia)。拿(na)開(kai)手(shou)指(zhi)後(hou)
，電(dian)容(rong)將(jiang)減(jian)小(xiao)。智(zhi)能(neng)地(di)測(ce)量(liang)電(dian)容(rong)值(zhi)的(de)變(bian)化(hua)就(jiu)可(ke)以(yi)確(que)定(ding)手(shou)指(zhi)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)。

電容式傳感器由普通電子線路印刷電路板(PCB)上兩個有一定間隔的相鄰銅焊盤或銅線組成。這是一個基本的電容式數字開關。同樣地，線性滑塊由 PCB上shang電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi的de一yi個ge陣zhen列lie構gou成cheng。典dian型xing情qing況kuang下xia，傳chuan感gan器qi的de一yi塊kuai銅tong極ji板ban接jie地di
，隻zhi留liu有you一yi塊kuai有you源yuan極ji板ban。實shi際ji上shang，邊bian緣yuan電dian容rong會hui增zeng加jia傳chuan感gan器qi的de固gu有you電dian容rong，通tong常chang總zong的de典dian型xing值zhi為wei10pF～30pF。典型的手指耦合電容值為1pF～2pF。實現電容式傳感器的挑戰在於設計一個能夠測量3%的電容變化(由手指引起)的電路。

弛張振蕩器是一種簡單而有效的電容測量電路。典型的弛張振蕩器電路拓撲結構(圖1)包括4個元件：同步比較器、電流源、放電開關和電容式傳感器。

圖1：典型弛張振蕩器拓撲結構

一(yi)開(kai)始(shi)

，放(fang)電(dian)開(kai)關(guan)處(chu)於(yu)開(kai)路(lu)狀(zhuang)態(tai)，電(dian)流(liu)源(yuan)對(dui)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)進(jin)行(xing)線(xian)性(xing)充(chong)電(dian)。電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)斜(xie)線(xian)上(shang)升(sheng)，直(zhi)到(dao)超(chao)過(guo)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)閾(yu)值(zhi)。比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)從(cong)低(di)電(dian)平(ping)變(bian)換(huan)至(zhi)高(gao)電(dian)平(ping)

，使(shi)放(fang)電(dian)開(kai)關(guan)閉(bi)合(he)。電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)過(guo)該(gai)低(di)阻(zu)抗(kang)通(tong)道(dao)迅(xun)速(su)向(xiang)地(di)放(fang)電(dian)。該(gai)過(guo)程(cheng)將(jiang)使(shi)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)由(you)高(gao)變(bian)低(di)，然(ran)後(hou)重(zhong)複(fu)循(xun)環(huan)。輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)(fout)取決於充電電流和電容式傳感器數值，關係式如下：

典型設計將振蕩器頻率設定在20kHz至200kHz的de範fan圍wei內nei

，然ran後hou將jiang該gai頻pin率lv饋kui入ru一yi個ge智zhi能neng測ce量liang電dian路lu。通tong過guo測ce量liang頻pin率lv的de變bian化hua，即ji可ke判pan定ding手shou指zhi是shi否fou存cun在zai。有you兩liang種zhong廣guang為wei采cai用yong的de測ce量liang弛chi張zhang振zhen蕩dang器qi頻pin率lv的de方fang法fa：一種是測量頻率，另一種是測量周期。
[page]
頻率測量是指利用門控定時器
，在一段固定時間內測量弛張振蕩器的頻率(圖2)。tongguoduqudingshiqilaiquedingzaigudingshijianzhongleijidejishuzhi。zhezhongfangfashiyongyuyuzhendangqizhouqixiangbi，dianrongshichuanganqidefangdianshijiankeyihulvebujidedipinyingyong。

圖2：頻率測量的電路與波形

周期測量利用振蕩器頻率作為脈寬調製器(PWM)的門控信號(圖3)。一個比弛張振蕩器頻率更高的頻率被用來對定時器定時。定時器時鍾越快
，測量電容的分辨率越高。可采用傳統的555定ding時shi器qi或huo更geng加jia複fu雜za的de微wei控kong製zhi器qi輕qing鬆song實shi現xian這zhe兩liang種zhong方fang法fa。由you於yu確que定ding手shou指zhi存cun在zai與yu否fou需xu要yao借jie助zhu智zhi能neng軟ruan件jian算suan法fa，基ji於yu微wei控kong製zhi器qi的de解jie決jue方fang案an似si乎hu更geng加jia精jing巧qiao。

圖3 周期測量的電路與波形

PSoC混合信號陣列

賽普拉斯的PSoC混合信號陣列CY8C21x34和CY8C24794係列產品采用CapSense技術
，具有一組獨特的硬件特性
，它通過弛張振蕩器拓撲結構實現具有成本效益、簡單的電容式傳感設計。圖4給出了這種拓撲結構。這組特性包括：多倍精度定時器和計數器、自動連接放電開關的比較器、可編程電流源以及一個可使每個引腳都成為潛在電容式傳感器的通用模擬多路複用器。和所有的PSoC一樣
，實現特定應用所需的外設均通過內部寄存器來配置。PSoC Designer是為PSoCyingyongshejitigongbangzhuderuanjiangongju
，tabaokuozhuanyongyonghumokuaihexiangdao，yizhenduidianrongshichuanganshejipeizhineibujicunqi。zheyiduigongnengqiangdadezuheweigongchengshimentigongleshixianjiandandedianrongshishuzikaiguan(甚至更加複雜的電容式線性滑塊)所需的工具。除了內部寄存器配置之外，PSoC Designer還(hai)包(bao)括(kuo)必(bi)要(yao)的(de)軟(ruan)件(jian)程(cheng)序(xu)，用(yong)於(yu)確(que)定(ding)數(shu)字(zi)開(kai)關(guan)上(shang)是(shi)否(fou)有(you)手(shou)指(zhi)觸(chu)摸(mo)或(huo)者(zhe)確(que)定(ding)手(shou)指(zhi)在(zai)線(xian)性(xing)滑(hua)塊(kuai)上(shang)的(de)準(zhun)確(que)位(wei)置(zhi)。為(wei)實(shi)現(xian)完(wan)整(zheng)的(de)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)應(ying)用(yong)，這(zhe)種(zhong)智(zhi)能(neng)是(shi)必(bi)需(xu)的(de)。

圖4 用於電容式傳感的PSoC弛張振蕩器拓撲結構

[page]
gairuanjiansuanfatigonglianggezhinenghuagongneng。diyigegongnengshibacongceliangdianluhuodedejishuzhizhuanhuanweishouzhijiancejieguo。shuzikaiguanhexianxinghuakuaijunxuyaozheyigongneng。diergegongnengshiliyongduochuanganqizhenliededianrongjiaquanpingjunzhijisuanshouzhizaixianxinghuakuaishangdeweizhi。shuangdanyuanhuakuaiyouyigeguyoudedanyuanzuidiyouxiaowei(LSB)。如果手指在滑塊之上，則它可以位於單元1 和/或單元0之上。但是，從分辨率來看
，手指位置通常超過各個電容式傳感器的物理間距
，因此第二個功能還融合了一個插值算法。插值處理將LSB從1單元減小至1/2單元、1/4單元或1/16單元。插值是實現平滑的電容式線性滑塊的關鍵。CapSense技術和智能軟件算法的結合使PSoC成為了電容式傳感應用領域的佼佼者。

電容式數字開關可輕而易舉地取代當今CPUI中的基本字母數字鍵盤和電源開關。這種替代方案具有雙重優點：CPUI的物理厚度和總成本均有所縮減。利用電容式傳感
，多種複雜和基本的CPUI功能可以被整合在一個電容式線性滑塊中。滑塊提供用於網頁瀏覽或地址簿遍曆的翻屏功能、音量控製、甚至亮度控製功能。實現所有這些功能所占用的空間小於傳統CPUI所需的空間。

二維線性滑塊可將傳統的CPUI轉變成觸摸板(與普通便攜式電腦所使用的觸摸板相似)。具有觸摸板CPUI的(de)中(zhong)端(duan)手(shou)機(ji)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)諸(zhu)如(ru)光(guang)標(biao)控(kong)製(zhi)等(deng)更(geng)便(bian)於(yu)操(cao)作(zuo)的(de)功(gong)能(neng)。電(dian)容(rong)式(shi)觸(chu)摸(mo)板(ban)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)特(te)點(dian)是(shi)能(neng)適(shi)應(ying)各(ge)種(zhong)幾(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)。當(dang)與(yu)如(ru)今(jin)許(xu)多(duo)中(zhong)端(duan)手(shou)機(ji)的(de)外(wai)形(xing)和(he)功(gong)能(neng)融(rong)為(wei)一(yi)體(ti)時(shi)，觸(chu)摸(mo)板(ban)提(ti)供(gong)無(wu)縫(feng)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。

一yi個ge需xu要yao解jie決jue的de問wen題ti是shi與yu周zhou圍wei環huan境jing的de隔ge離li。如ru果guo允yun許xu手shou指zhi直zhi接jie接jie觸chu電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi，或huo者zhe受shou其qi它ta外wai界jie環huan境jing的de危wei害hai，手shou機ji的de使shi用yong壽shou命ming就jiu會hui縮suo短duan。因yin此ci，必bi須xu利li用yong絕jue緣yuan材cai料liao將jiang電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi與yu周zhou圍wei環huan境jing隔ge離li開kai來lai。便bian攜xie式shi電dian腦nao和he媒mei體ti設she備bei製zhi造zao商shang常chang常chang采cai用yong聚ju脂zhi膠jiao帶dai或huo塑su料liao膜mo提ti供gong必bi要yao的de隔ge離li。不bu幸xing的de是shi，絕jue緣yuan材cai料liao將jiang降jiang低di手shou指zhi與yu傳chuan感gan器qi之zhi間jian的de耦ou合he電dian容rong。較jiao低di耦ou合he電dian容rong意yi味wei著zhe手shou指zhi檢jian測ce靈ling敏min度du下xia降jiang。常chang見jian的de隔ge離li材cai料liao厚hou度du值zhi為wei0.5mm，最大厚度接近2mm。如果超過該厚度，電容式傳感器的靈敏度將低至無法到檢測手指的存在。

雖sui然ran采cai用yong絕jue緣yuan層ceng會hui造zao成cheng總zong體ti靈ling敏min度du下xia降jiang，但dan它ta卻que為wei手shou機ji製zhi造zao商shang提ti供gong了le一yi條tiao創chuang新xin的de途tu徑jing。製zhi造zao商shang可ke以yi把ba二er維wei傳chuan感gan器qi隱yin匿ni於yu各ge種zhong色se彩cai絢xuan爛lan的de塑su料liao膜mo的de後hou麵mian。在zai這zhe種zhong塑su料liao膜mo的de表biao麵mian絲si印yin了le可ke提ti供gong基ji本ben手shou機ji功gong能neng的de字zi母mu數shu字zi圖tu案an，再zai沿yan著zhe塑su料liao膜mo的de周zhou邊bian絲si印yin一yi個ge滾gun動dong條tiao，這zhe樣yang就jiu能neng夠gou實shi現xian高gao級ji功gong能neng。同tong樣yang的de電dian容rong式shi觸chu摸mo板ban加jia上shang各ge種zhong塑su料liao膜mo便bian能neng實shi現xian多duo個geCPUI功能。

電容式傳感功能也可與其它的標準手機功能相結合以降低手機成本。采用CapSense技術的PSoC混合信號陣列就是為提供這種靈活性而設計。 PSoC能夠驅動嵌入在手機顯示屏內的白光LED，甚至還可為內部的手機電池充電。以往一直由分離的微控製器來處理的功能如今已可被集成到單個PSoC中。

對當今的中端手機製造商而言
，電容式傳感技術具有強大優勢。電容式傳感CPUI不僅改進了手機的工業設計，而且還為不斷增加的消費市場需求提供了創新的解決方案。賽普拉斯采用CapSense技術的PSoC混合信號陣列是實現高性能並具有成本效益的電容式傳感解決方案的關鍵。