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电容触摸感应MCU的工作原理与基本特征

发布时间:2020-06-30 19:44:47 阅读: 来源:风扇灯厂家

现在的电子产品中,触摸感应技术日益受到更多关注和应用,并不断有新的技术和IC面世。与此同时,高灵敏度的电容触摸技术也在快速地发展起来,其主要应用在电容触摸屏和电容触摸按键,但由于电容会受温度、湿度或接地情况的不同而变化,故稳定性较差,因而要求IC的抗噪性能要好,这样才能保证稳定正确的触摸感应。

针对市场的需求,来自美国的高效能模拟与混合信号IC创新厂商Silicon Laboratories(简称:Silicon Labs)公司特别推出了C8051F7XX和 C8051F8XX系列的MCU(单片机),专门针对电容触摸感应而设计,在抗噪性能和运算速度上表现的非常突出。

一、Silicon Labs公司的电容触摸系列MCU

目前Silicon Labs公司推出的C8051F7xx和C8051F8xx等电容触摸系列MCU,以高信噪比高速度的特点在业界表现尤为出色。同时,灵活的I/O配置,给设计带来更多的方便。另外,由于该系列MCU内部集成了特殊的电容数字转换器(CDC),所以能够进行高精度的电容数字转换实现电容触摸功能。

CDC的具体工作原理:

如图1所示,IREF是一个内部参考电流源,CREF是内部集成的充电电容,ISENSOR属于内部集成的受控电流源,CSENSOR为外部电容传感器的充电电容,由于人体的触摸引起CSENSOR的变化,通过内部调整过的ISENSOR对CSENSOR进行瞬间的充电,在CSENSOR上产生一个电压VSENSOR,然后相对内部参考电压经过一个共模差分放大器进行放大;同理IC内部的IREF对CREF充电后也产生一个参考电压并相对同样的VREF经过差分放大,最后将2个放大后的信号通过SAR(逐次逼近模数转换器)式的ADC采样算出ISENSOR的值。

图1

Silicon Labs SAR式的ADC采样可选择12-16位的分辨率,如图2所示,采用16位的分辨率进行逐位比较采样:首先从确定最高位第16位(IREF=0x8000)开始,最高位的值取决于电容的充电速率,也就相当于电流的大小,取电流IREF/2,比较VSENSOR和VREF:

VSENSOR > VREF 则 最高位 = 0 ;

VSENSOR VREF 则 最高位 = 1 ;

随后,SAR控制逻辑移至下一位,并将该位设置为高电平,进行下一次比较:

如果第16位是1,则取下一个IREF=0xC000 ;

如果第16位是0,则取下一个IREF=0x4000.

这个过程一直持续到最低有效位(LSB)。上述操作结束后,也就完成了转换,将算出的16位转换结果储存在寄存器内。

图2

利用此电容采集转换功能,可用在电容触摸屏或者触摸按键上。比如,电容式触摸屏的应用(图3所示)。一般自容式电容触摸屏主要包括一层表面玻璃层,中间两层行列交叉的ITO层(行列层之间间没有短接),以及GND底层。每一行和列分别与MCU的采集输入通道直接相连,当手指触摸到电容屏的表面玻璃层时,会引起某一行或列的ITO 块的对地电容(如图4)值变大,从而通过电容采样以及特定的算法确定电容值发生一定变化的点(触摸点)的位置(X,Y),最后将触摸点的位置上传给主处理器实现系统操作功能。

图3

图4

目前Silicon Labs 的C8051F7XX触摸屏功能主要是单点触摸,但通过软件算法可以实现两点的手势识别,比如缩放、旋转等,同时还能实现对水滴识别以及湿的手指触摸正常划线功能。

而触摸按键的电容采样原理一样,只是每个采集输入通道连接一个触摸按键,MCU可以直接确定某个按键被触摸然后进行相应功能的实现,算法处理相对简单。

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