中心議題：

• 觸摸操作係統的優點和實現方式
• 電容式感應的工作原理介紹
• 接觸電容式感應接口電路設計分析

解決方案：

• 電容式感應的設計方案
• CapSense解決方案

電容式感應正在越來越多地應用於我們的日常生活。優雅時尚的電容式感應界麵越來越廣泛地應用在便攜媒體播放器(PMP)、手機
、計算機
、POS終端和其它家用電子設備上
，如今又開始廣泛應用於工業和醫學應用領域。

但到底什麼是電容式感應呢?電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)是(shi)一(yi)種(zhong)以(yi)觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)為(wei)基(ji)礎(chu)的(de)感(gan)應(ying)形(xing)式(shi)。作(zuo)為(wei)傳(chuan)統(tong)機(ji)械(xie)式(shi)按(an)鈕(niu)和(he)滑(hua)動(dong)觸(chu)頭(tou)的(de)一(yi)種(zhong)替(ti)代(dai)技(ji)術(shu)，電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)技(ji)術(shu)還(hai)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)設(she)計(ji)觸(chu)摸(mo)屏(ping)、觸chu摸mo板ban和he接jie近jin感gan應ying裝zhuang置zhi。這zhe項xiang技ji術shu並bing不bu感gan應ying按an鈕niu的de具ju體ti狀zhuang態tai，而er是shi用yong於yu檢jian測ce導dao電dian物wu體ti是shi否fou存cun在zai，許xu多duo情qing況kuang下xia

，用yong戶hu的de手shou指zhi就jiu是shi這zhe個ge導dao電dian物wu體ti。

觸摸操作係統的優點和實現方式

之zhi所suo以yi采cai用yong觸chu摸mo操cao作zuo係xi統tong，其qi原yuan因yin有you幾ji種zhong。基ji本ben原yuan因yin之zhi一yi是shi為wei了le獲huo得de更geng高gao的de可ke靠kao性xing和he耐nai久jiu性xing。例li如ru，公gong共gong信xin息xi亭ting內nei的de按an鈕niu要yao承cheng受shou大da量liang不bu當dang的de使shi用yong和he頻pin繁fan的de操cao作zuo。機ji械xie式shi按an鈕niu會hui很hen容rong易yi磨mo損sun並bing導dao致zhi故gu障zhang發fa生sheng。而er更geng換huan按an鈕niu和he修xiu理li機ji械xie式shi傳感器將(jiang)會(hui)增(zeng)加(jia)總(zong)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)。而(er)使(shi)用(yong)觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)時(shi)，係(xi)統(tong)更(geng)為(wei)耐(nai)用(yong)，從(cong)長(chang)期(qi)角(jiao)度(du)來(lai)說(shuo)
，能(neng)夠(gou)減(jian)少(shao)總(zong)成(cheng)本(ben)。觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)還(hai)可(ke)以(yi)擁(yong)有(you)更(geng)多(duo)靈(ling)活(huo)性(xing)，因(yin)為(wei)它(ta)的(de)按(an)鈕(niu)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)多(duo)項(xiang)功(gong)能(neng)。例(li)如(ru)，在(zai)傳(chuan)統(tong)的(de)工(gong)業(ye)鍵(jian)盤(pan)上(shang)
，機(ji)械(xie)式(shi)按(an)鈕(niu)實(shi)際(ji)上(shang)隻(zhi)能(neng)執(zhi)行(xing)單(dan)項(xiang)功(gong)能(neng)

，或(huo)者(zhe)隻(zhi)能(neng)代(dai)表(biao)規(gui)定(ding)好(hao)的(de)某(mou)個(ge)菜(cai)單(dan)選(xuan)項(xiang)。而(er)在(zai)使(shi)用(yong)觸(chu)摸(mo)屏(ping)時(shi)，因(yin)為(wei)顯(xian)示(shi)可(ke)以(yi)連(lian)續(xu)改(gai)變(bian)，所(suo)以(yi)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)更(geng)多(duo)方(fang)式(shi)來(lai)設(she)計(ji)界(jie)麵(mian)。唯(wei)一(yi)的(de)限(xian)製(zhi)隻(zhi)是(shi)設(she)計(ji)方(fang)案(an)的(de)需(xu)要(yao)而(er)巳(si)。同(tong)樣(yang)的(de)道(dao)理(li)，由(you)於(yu)單(dan)個(ge)按(an)鈕(niu)可(ke)以(yi)應(ying)用(yong)於(yu)多(duo)種(zhong)用(yong)途(tu)，觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)就(jiu)能(neng)夠(gou)在(zai)更(geng)小(xiao)的(de)空(kong)間(jian)內(nei)擁(yong)有(you)更(geng)多(duo)的(de)功(gong)能(neng)。最(zui)後(hou)，觸(chu)摸(mo)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)與(yu)機(ji)械(xie)式(shi)按(an)鈕(niu)相(xiang)比(bi)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)優(you)點(dian)是(shi)：它可以改善最終用戶的體驗。基於觸摸操作的解決方案通常更為直觀易懂並且方便用戶使用。

觸摸操作係統可以采用多種不同方式來實現。其中包括采用電阻膜、紅外傳感器
，甚至是表麵聲波。我們有如此之多的備選方案，為何要采用電容式感應呢?首(shou)先(xian)
，是(shi)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)問(wen)題(ti)。電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)能(neng)夠(gou)在(zai)感(gan)應(ying)到(dao)手(shou)指(zhi)存(cun)在(zai)時(shi)啟(qi)用(yong)，而(er)無(wu)需(xu)電(dian)阻(zu)膜(mo)所(suo)要(yao)求(qiu)的(de)觸(chu)摸(mo)筆(bi)或(huo)壓(ya)力(li)。其(qi)次(ci)，是(shi)耐(nai)久(jiu)性(xing)的(de)問(wen)題(ti)。正(zheng)如(ru)以(yi)前(qian)提(ti)到(dao)過(guo)的(de)，由(you)於(yu)基(ji)於(yu)觸(chu)摸(mo)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)沒(mei)有(you)機(ji)械(xie)運(yun)動(dong)部(bu)件(jian)
，因(yin)此(ci)它(ta)比(bi)機(ji)械(xie)式(shi)按(an)鈕(niu)和(he)開(kai)關(guan)更(geng)為(wei)經(jing)久(jiu)耐(nai)用(yong)。而(er)在(zai)各(ge)種(zhong)基(ji)於(yu)觸(chu)摸(mo)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)
，電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)擁(yong)有(you)極(ji)其(qi)優(you)秀(xiu)的(de)耐(nai)久(jiu)性(xing)。紅(hong)外(wai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)會(hui)受(shou)到(dao)表(biao)麵(mian)汙(wu)染(ran)物(wu)的(de)不(bu)良(liang)影(ying)響(xiang)，而(er)電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)技(ji)術(shu)對(dui)環(huan)境(jing)因(yin)素(su)具(ju)有(you)較(jiao)強(qiang)的(de)耐(nai)受(shou)性(xing)。最(zui)後(hou)，足(zu)靈(ling)活(huo)性(xing)的(de)問(wen)題(ti)。由(you)於(yu)電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)多(duo)種(zhong)外(wai)覆(fu)層(ceng)材(cai)料(liao)，並(bing)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)水(shui)平(ping)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)和(he)精(jing)確(que)度(du)
，因(yin)此(ci)不(bu)會(hui)僅(jin)限(xian)於(yu)某(mou)些(xie)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)。電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)可(ke)以(yi)應(ying)用(yong)於(yu)消(xiao)費(fei)類(lei)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)中(zhong)
，如(ru)移(yi)動(dong)手(shou)機(ji)
、MP3播放器和數碼相機
，也可以應用於工業或家用電器，如冼衣機或信息亭。

電容式感應的工作原理

那麼，電容式感應的工作原埋是什麼呢?下麵的示意圖顯示了1個電容式感應按鈕的橫截麵。如圖所示，在外覆層材料之下，存在導電的銅塊區域和導電的傳感器。在2個導電元件相互之間靠得很近時


，就會產生一個電容值，本圖中標為Cp，這個電容值是由於傳感器墊板與接地板之間的耦合現象而形成的。Cp屬於寄生電容
，典型數量級任10pF至300pF。傳chuan感gan器qi與yu接jie地di板ban靠kao近jin時shi也ye會hui形xing成cheng一yi個ge邊bian緣yuan電dian場chang
，這zhe個ge電dian場chang能neng夠gou穿chuan透tou外wai覆fu層ceng。基ji本ben上shang，人ren體ti組zu織zhi也ye屬shu於yu導dao電dian體ti。將jiang一yi根gen手shou指zhi放fang存cun邊bian緣yuan電dian場chang附fu近jin時shi，就jiu會hui增zeng加jia這zhe個ge電dian容rong係xi統tong的de導dao電dian表biao麵mian麵mian積ji。

但是，這個在圖中標為CF的附加手指電容值的數量級在0.1pF至10pF。雖然一根於指的存在會導致電容發生變化，但與寄生電容相比，該變化的幅度是相當小的。而傳感器的測得電容值稱為CX。在沒有手指存在的情況下
，CX基本上等於CP。而在於指存在時，CX則為CP和CF的和。
 

圖1 手指電容值

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電容式感應的設計方案

在我們了解了電容式感應的工作原理後，如何開始設計某一特定產品的電容式感應界麵呢?我們重點要考慮到設計方案的需要。這個產品將用在什麼地方?使用環境嚴苛嗎?這項設計中最重要的因素是電池的使用時間還是產品的耐久性?不同的因素對設計方案的影響也各不相同。

genjuzhengzaishejidechanpinleixing，gonghaokenengshiguanjianyinsu，yekenengbushiguanjianyinsu。liru
，zaiyoudianchigongdiandeshouchishebeishang，gonghaojuyoujiweizhongyaodeyiyi。eryizhongduizhengtipingjungonghaojidianchishiyongshijianjinxingkongzhidefangshishisheli3個不同的工作區域。一個工作區域是快速響應區，這個區域內的每個傳感器每200微(wei)秒(miao)掃(sao)描(miao)一(yi)次(ci)。係(xi)統(tong)會(hui)在(zai)按(an)鈕(niu)和(he)滑(hua)動(dong)觸(chu)摸(mo)處(chu)於(yu)連(lian)續(xu)操(cao)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)下(xia)進(jin)入(ru)這(zhe)一(yi)區(qu)域(yu)。在(zai)操(cao)作(zuo)很(hen)少(shao)或(huo)無(wu)操(cao)作(zuo)時(shi)
，係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)進(jin)入(ru)一(yi)個(ge)慢(man)速(su)響(xiang)應(ying)區(qu)，將(jiang)掃(sao)描(miao)頻(pin)率(lv)減(jian)少(shao)到(dao)大(da)約(yue)每(mei)100毫秒1次。最後，如果在很長時間內沒有操作，則係統可以進入深度休眠模式，從而節省電力。通過實現節能
、慢速響應模式，在便攜手持設備每100秒掃描3個按鈕的情況下，係統的耗電量可以低於50μA的平均電流。

在當今的電子產品領域，噪聲也成為另-xiangzhongyaodekaolvyinsu。geleiganyingzaosheng，zhurulaizidianlixianludezaosheng
，yijilaiziyidongshoujihuoriguangdengdefushezaosheng
，wushiwukebucunzai
，suoyibixujiayikaolv。weilejinxingyouxiaofangfan，womendemubiaoshizengjiaxinzaobi
，bingxiaochuxujiachumoxiangying。

在設計信噪比、耐久性、靜jing電dian放fang電dian抵di抗kang力li以yi及ji精jing確que度du時shi，所suo選xuan擇ze的de外wai覆fu層ceng材cai料liao以yi及ji外wai覆fu層ceng厚hou度du具ju有you很hen大da的de影ying響xiang。而er且qie，在zai考kao慮lv材cai料liao的de類lei型xing和he厚hou度du時shi
，必bi須xu根gen據ju產chan品pin的de需xu要yao，在zai許xu多duo方fang麵mian采cai取qu折zhe衷zhong方fang式shi。隨sui著zhe外wai覆fu層ceng材cai料liao厚hou度du的de增zeng加jia，信xin號hao和he噪zao聲sheng兩liang方fang麵mian均jun會hui減jian少shao。但dan是shi，外wai覆fu層ceng材cai料liao越yue厚hou，則ze對dui於yu靜jing電dian放fang電dian的de抵di抗kang力li就jiu越yue強qiang。人ren體ti的de靜jing電dian電dian壓ya可ke以yi高gao達da15 KV，而電容式感應係統的外覆層有助於避免集成電路在遭受此類靜電放電時發生永久性損壞。另一種解決方法是，使用一層聚酰亞胺(Kapton)帶，這種材料在需要超強靜電放電保護的應用中能夠發揮良好的作用。當然，外覆層越厚，也就越不容易破裂或者遭到破壞。

CapSense解決方案

一yi種zhong能neng夠gou降jiang低di設she計ji難nan度du的de理li想xiang方fang式shi是shi采cai用yong一yi種zhong靈ling活huo的de可ke編bian程cheng電dian容rong式shi感gan應ying解jie決jue方fang案an
，這zhe種zhong方fang案an還hai能neng夠gou通tong過guo調tiao整zheng以yi滿man足zu設she計ji需xu要yao。一yi項xiang能neng夠gou達da到dao該gai要yao求qiu的de可ke編bian程cheng解jie決jue方fang案an就jiu是shi以yiPSOC混合信號陣列架構為基礎的賽普拉斯半導體公司的CapSense解決方案。CapSense在實現時采用了兩種觸摸感應方式，CapSense逐次逼近(CSA)和CapSense增量求和(CSD)
，這兩種方式均經過了優化，因而能夠應對設計電容感應係統時所遇到的種種挑戰。CSA和CSDfangshijunzaisaomiaozhijiandingqigengxindongtaijixian
，yijianshaohuanjingbianhuadailaideyingxiang。zheyang，suizhejutishebeidewendudebianhua，jixianyesuizhijinxingtiaozheng。zhezhongbianhuaqushiyoujixianjinxingzidongzhuizong，yidixiaowenduheshidubianhuadailaideyingxiang。zaizhezhongfangshixia
，kebianchengdianrongshiganyingjiejuefangannenggougeishejizhetigonggengdadeyouxiaoshejiquyu
，congernenggoumanzushejifanganzhongduoxiangyinsudeyaoqiu。

此外，通過聯合運用屏蔽電極和保護傳感器，並在電容式感應中采用CSDfangfa，keyirangshejifanganzhenzhengdadaofangshuidexiaoguo。zhezhongchumofangantigonglekekaodechumojiancegongneng，bingnenggouxiaochuyouyushuidiheshuiliusuodaozhidexujiajianceshijian。pingbidianjinenggoujianshaoshuidizaiwulicengmianshangdeyingxiang，erfanghuchuanganqinenggouzailuojidianlucengmianshangduijueceluojicaozuojinxingfuwei。

CapSense器件受PSoC混合信號陣列產品的支持，因此能夠讓設計者在同一芯片上同時操作按鈕
、滑動觸頭、觸摸屏、觸摸板和接近傳感器。CapSense還獲得了預先配置好固件的用戶模塊、參考代碼和校準工具的支持，讓電容式感應應用的設計工作變得快捷、輕鬆而高效。這種預先定義的固件開發工具包括器件互連、I／O驅動模式和API。在PSoC Designer和PSoC Express開發工具中，隻需點擊幾次鼠標即可創建上述工具。參考代碼提供具有基本功能的起點，而PSoCjiejuefangansuocaiyongdekaiyuangeshikeyishixianduirenyixiangmudedingzhiheyouhua。xiaozhungongjunenggoutongguoduidianrongshurujinxingshishifankuiertigaokaifagongzuodesudu。tongguoxiaozhungongju，yonghukeyitiaozhengcanshu、增加靈敏度，並可以逐個校準傳感器。

PSoC器件並不僅僅具備電容傳感器功能。它所擁有的模擬和數字資源還具有各種其它用途。所有PSoC器件產品均擁有基本的數字電路控製功能。通過配置，PSoC可以驅動LED、控製簡單的8位脈衝寬度調製器
，並能通過I2C
、SPI或其它通信協議進行通信。功能更強的器件產品還擁有更多的數字電路功能和基本的模擬電路功能。同一個PSoC器件既可以配置成電容傳感器，也可以配置成溫度計或電壓監測器。

PSoC混合信號陣列產品屬於一種可配置陣列產品
，擁有數字和模擬資源、閃存和RAM
、一個8位微控製器
，並具有一些其它功能。這些功能讓PSoC能夠在自己的CapSense產品組合內實現各種創新性的電容感應技術。采用PSoC直zhi觀guan易yi懂dong的de開kai發fa環huan境jing可ke以yi對dui器qi件jian進jin行xing配pei置zhi和he重zhong新xin配pei置zhi
，以yi滿man足zu設she計ji規gui格ge和he規gui格ge變bian更geng的de要yao求qiu。這zhe些xie新xin型xing感gan應ying技ji術shu表biao現xian出chu了le更geng高gao的de靈ling敏min度du和he更geng強qiang的de抗kang擾rao性xing，功gong耗hao更geng低di，更geng新xin速su度du更geng快kuai。