潘 偉，周 龍

(1.中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué)，河南鄭州450002;2.武漢工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430023)

近幾年電容式觸摸感應(yīng)按鍵技術(shù)在電子行業(yè)內(nèi)得到進(jìn)一步的推廣，已經(jīng)開始逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式按鍵開關(guān)界面。因?yàn)橛|摸按鍵不需要機(jī)械動(dòng)作，這就使得基于此的產(chǎn)品包裝上能夠完全密封，并且設(shè)計(jì)上更加小巧便攜，現(xiàn)代美觀，具有更好的市場(chǎng)潛力。由于觸摸按鍵的優(yōu)點(diǎn)多多，讓其除了在家用電器市場(chǎng)上占有一席之地外，也開始逐步在醫(yī)療，汽車等領(lǐng)域被廣泛采用。

作為全球半導(dǎo)體供應(yīng)商巨頭的法國(guó)ST公司，最近推出新的基于觸摸芯片的觸摸方案，這對(duì)于許多開發(fā)觸摸按鍵板的程序員來(lái)講是一個(gè)好消息。ST公司的觸摸方案，采用了兩種技術(shù)手段：自適應(yīng)原理和電容直接測(cè)控。

SJD160是一款基于自適應(yīng)原理的電容觸摸感應(yīng)專用芯片。內(nèi)部包含8位的MCU(Micro Control Unit)、8個(gè)輸入輸出口(I/O)的觸摸感應(yīng)集成電路。SJD160相比于以往的觸摸芯片，在抗干擾水平，芯片用戶手冊(cè)詳細(xì)度，自適應(yīng)周圍環(huán)境變化，相近按鍵互不影響等方面有了較大的提高?，F(xiàn)在，以該芯片為主控的產(chǎn)品涉及消費(fèi)類電子產(chǎn)品、手持式視頻播放器、家用電器、車載設(shè)備、大型醫(yī)療設(shè)備等。

1 SJD160觸摸芯片的原理

1.1 自適應(yīng)概述

SJD160電容觸摸按鍵類似于一個(gè)自適應(yīng)振蕩器，期間不斷進(jìn)行充電和放電［1］。由圖1可知：它的頻率能夠被測(cè)量，并且自適應(yīng)振蕩器有不變的充放電周期。若用手指或者其他帶電容物質(zhì)接觸，由于手指本身存在電容，那么電容總和就會(huì)變大，相應(yīng)的介電常數(shù)ε將增大，導(dǎo)致周期變大，因?yàn)橹芷诤皖l率成反比，則頻率就降低。所以，通過(guò)頻率的變化就能夠捕捉到觸摸的動(dòng)作［2］。

圖1 自適應(yīng)的原理

圖2所示的振蕩電路中，充電的上下限靠運(yùn)放的正極來(lái)設(shè)定，1000 PF的電容的作用是濾波，使之有一穩(wěn)定的下限。電路內(nèi)部信號(hào)與運(yùn)放C1的正輸入端相連，充電的下限由運(yùn)放C2的正輸入端通過(guò)接收外信號(hào)來(lái)配置，而電壓V的負(fù)極在兩級(jí)間進(jìn)行充放電，它被邏輯電平信號(hào)C2OUT驅(qū)動(dòng)。

圖2 自適應(yīng)的振蕩電路

作為具有自我激勵(lì)功能的RC振蕩器，電路中感應(yīng)電壓的充電方向由圖中的具有鎖存功能的運(yùn)放去改變。

由圖3可知，振蕩器進(jìn)行一個(gè)充電+放電的周期過(guò)程是：先由運(yùn)放的正輸入端配置充電的下上限，充電過(guò)程是從下限往上限充電，接著充滿后開始從上限往下限放電，完成這兩個(gè)過(guò)程所耗費(fèi)的時(shí)間就是一個(gè)充放電的周期。

圖3 充放電的周期

在Cs電壓比下限低的時(shí)候，開始進(jìn)行充電，當(dāng)V負(fù)極處于下上限之中，那么系統(tǒng)是處于前一狀態(tài)(充電或放電)，當(dāng)V-充電后高于上限時(shí)，系統(tǒng)則開始進(jìn)行放電［3］。

傳感器電極板(符號(hào)Cs)和反饋電阻R構(gòu)成了一個(gè)RCs回路，如圖4所示。圖4(a)為 RCs回路，用時(shí)間常數(shù)確定電容充放電的速度，即：τ=RCs。圖4(b)和圖4(c)表示未接觸時(shí)的時(shí)間常數(shù)。

圖4 RCs電路

當(dāng)人的手指接觸焊盤，因?yàn)槭种父綆е娙?，將使電容總和增多，進(jìn)而使RCs時(shí)間常數(shù)產(chǎn)生變化。如圖5所示：圖(b)和圖(c)表示當(dāng)有手指接觸時(shí)，RCs時(shí)間常數(shù)變大，振蕩器的頻率降低，這頻率變化將會(huì)在單片機(jī)程序中被監(jiān)測(cè)到。

圖5 變化的RCs時(shí)間常數(shù)

1.2 SJD160的工作原理

如圖6所示，圖中SJD160有24個(gè)管腳，I/O口占據(jù)8個(gè)管腳，從KEY0到KEY7，分別連接TS_0到TS_7。外部模擬信號(hào)將通過(guò)此8個(gè)口進(jìn)入芯片內(nèi)部經(jīng)過(guò)AD模塊轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)此方法檢測(cè)有沒有存在觸摸源靠近或者接觸到這8個(gè)輸入口上。

圖6 SJD160硬件連接電路圖

利用上述原理就將KEY0到KEY7制作成按鍵，將信號(hào)傳入TS_0-TS_7管腳，通過(guò)感應(yīng)外部輸入模擬信號(hào)的變化來(lái)檢測(cè)有沒有手指觸摸。

1.3 SJD160芯片的管腳分布與輸出

SJD160共有24個(gè)管腳，具體管腳型號(hào)及功能，如表1所示。

表1 SJD160芯片管腳介紹

圖6所示是SJD160的硬件連接電路圖，TS0-TS7連接按鍵板上的觸摸按鍵，P00-P07連接LED指示燈，與TS0-TS7相對(duì)應(yīng)，作用是當(dāng)手指觸摸到按鍵后，指示燈亮起，例如觸摸到TS0，則P00口將被置于低電平，則所連指示燈D1A亮起;當(dāng)手指離開觸摸板，電容值回復(fù)默認(rèn)設(shè)定值，觸發(fā)POO端口回復(fù)高電平狀態(tài)，此時(shí)指示燈重新熄滅，給用戶的感覺就是觸摸哪個(gè)按鍵，哪個(gè)按鍵就被點(diǎn)亮，如圖7所示。

圖7 指示燈連接圖

VC1不接，VC2接電容接地起濾波作用。而信號(hào)傳輸通過(guò)P20，P21口，如圖8所示。

圖8 P20，P21口外接線圖

因?yàn)殡娙莸母淖凅w現(xiàn)在碼值上，當(dāng)外設(shè)通過(guò)J2與板子相連后，觸摸板所檢測(cè)到的電容值改變的數(shù)據(jù)信息將通過(guò)P21，P20傳遞給外設(shè)(專門的讀碼值設(shè)備)，方便程序員直觀的觀測(cè)。作為自帶微控制器的芯片，SJD160在被焊上觸摸板前，控制程序已經(jīng)通過(guò)燒錄器燒進(jìn)SJD160中，焊上板子后內(nèi)部程序?qū)o(wú)法再被修改。如果調(diào)試觸摸板過(guò)程中發(fā)現(xiàn)bug，則需要重新修改控制程序后再燒進(jìn)新的SJD160中，焊上后繼續(xù)調(diào)試。本文主要介紹觸摸板的工作原理，具體的SJD燒錄控制等內(nèi)容，這里不再詳述。

1.4 按鍵檢測(cè)掃描

手指觸摸在按鍵板上的時(shí)候，電荷經(jīng)亞力克面板遷移至電容觸摸式按鍵上，而電容觸摸式按鍵又和芯片的管腳相通，因此，通過(guò)AD模塊的轉(zhuǎn)換，模擬電壓信號(hào)變成了數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)入芯片內(nèi)部被捕捉到，內(nèi)部電路捕捉到波動(dòng)的電壓，經(jīng)過(guò)計(jì)算，給出經(jīng)歷的時(shí)間值，再通過(guò)預(yù)先設(shè)置好的算法，判斷出是否有按鍵被按下。整個(gè)流程圖如圖9所示。

圖9 SJD160按鍵檢測(cè)掃描流程圖

2 SJD160的優(yōu)化方案分析

設(shè)計(jì)電容式觸摸按鍵時(shí)，要先檢測(cè)按鍵的電平/電荷量，還包括關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換關(guān)系等，表示需要先校準(zhǔn)系統(tǒng);然后外界周圍環(huán)境的改變將影響到電平/電荷的變化，例如干燥環(huán)境下的靜電和高頻電磁的干擾都有可能導(dǎo)致非人為的誤操作，且環(huán)境溫度的改變也將對(duì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)具有不利的影響，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間在表面上的塵埃的富集也是潛在的不利因素，影響精確性和穩(wěn)定性。綜上所得，提高抗干擾水準(zhǔn)和自適應(yīng)是優(yōu)化觸摸按鍵技術(shù)的關(guān)鍵手段。

2.1 提高自適應(yīng)水平的方法

為了應(yīng)付外界多變的環(huán)境，觸摸按鍵的設(shè)計(jì)必須具有自適應(yīng)的能力。判斷是否有按鍵按下的方法是將兩次讀取的充電時(shí)間值相減，再和之前的標(biāo)準(zhǔn)值作比較而實(shí)現(xiàn)的，上電后無(wú)按鍵的充電時(shí)間值將被作為默認(rèn)的充電時(shí)間值。所以當(dāng)有手指按下觸摸按鍵板，所測(cè)得的充電時(shí)間差值與默認(rèn)值將會(huì)有很大不同，以此來(lái)判斷是否按鍵板被按下。

為優(yōu)化自適應(yīng)能力，給出此方案：無(wú)按鍵充電時(shí)間值隨著周邊環(huán)境的變化而變化。在一個(gè)連續(xù)的充放電系統(tǒng)里，將檢測(cè)到的無(wú)按鍵狀態(tài)下充電時(shí)間值一直無(wú)限逼近真正的無(wú)按鍵充電時(shí)間值，就可以實(shí)現(xiàn)按鍵的自適應(yīng)能力。時(shí)間值公式如下：

式中T：默認(rèn)的無(wú)按鍵充電時(shí)間值;T0：上次讀取的無(wú)按鍵充電時(shí)間值;T1：新讀取的無(wú)按鍵充電時(shí)間值。

此方法存在一個(gè)缺陷：當(dāng)手指以非常緩慢的速率逐漸靠近按鍵板的時(shí)候，系統(tǒng)可能無(wú)法檢測(cè)出手指的靠近或接觸，因?yàn)橄到y(tǒng)適應(yīng)了這種緩慢的電容變化，那么就無(wú)法檢測(cè)到該觸摸方式。但是實(shí)際操作中沒有用戶會(huì)走這樣極端的操作路線，所以這一缺陷并不會(huì)影響系統(tǒng)整個(gè)自適應(yīng)能力。

2.2 優(yōu)化抗干擾水平的方法

優(yōu)化抗干擾水平可以從兩個(gè)方面入手：①軟件程序里增加防抖動(dòng)代碼;②硬件設(shè)計(jì)上優(yōu)化PCB板得繪制，使抗干擾水平提高［4-7］。

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化抗干擾水平

在硬件電路上，由于充電時(shí)間較短，只有在硬件電路的繪制上進(jìn)行改良，增強(qiáng)電容式觸摸面板的抗干擾水平。

(1)按鍵成叉形，第一個(gè)叉子接按鍵，第二個(gè)叉子接地線，他們之間互叉卻不互連。

(2)鍵與鍵中間的空隙要布滿地線，如圖10所示：這樣的好處是使干擾源幾乎不能對(duì)觸摸按鍵造成干擾。

圖10 按鍵與按鍵間的設(shè)計(jì)

(3)繪制PCB走線的時(shí)候盡量以直線為主。

(4)觸摸按鍵的大小近似于普通人的手指大小，保證足夠的觸摸面積。

2.2.2 軟件程序優(yōu)化抗干擾水平

加入防抖動(dòng)代碼程序段到系統(tǒng)程序中，具體方法如下。

(1)只有兩次連續(xù)計(jì)數(shù)值都為按下值的時(shí)候，系統(tǒng)才認(rèn)為此時(shí)按鍵被按下。

(2)當(dāng)計(jì)數(shù)值減小，如果不是按鍵按下，需判斷是否進(jìn)行按鍵計(jì)數(shù)值的刷新，這樣做的目的是防止上文提到的速率較慢地接觸按鍵未被監(jiān)控到［8］。

3 實(shí)例化觸摸式按鍵的優(yōu)化分析

SJD160雖然是一款專用于觸摸按鍵的芯片，內(nèi)部集成了處理觸摸的模塊，但依然需要在開發(fā)環(huán)境中編寫相應(yīng)程序代碼，通過(guò)設(shè)置合適的靈敏度等參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)SJD160觸摸模塊的優(yōu)化功能。

下面將通過(guò)程序流程圖的形式展示整個(gè)觸摸按鍵的工作過(guò)程，在此之前已經(jīng)通過(guò)自適應(yīng)法、防抖動(dòng)法和軟硬件抗干擾法完善了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1 SJD160判定按下設(shè)計(jì)思路

由圖11可知，程序判定手指是否按下，通過(guò)以下過(guò)程：若芯片從KEY0到KEY7口所檢測(cè)到的輸入值，記為A;和上次的輸入值，記為B;相減結(jié)果的絕對(duì)值大于默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)值，記為T;即A-B＞T，則系統(tǒng)判定出現(xiàn)按鍵動(dòng)作，那么接下來(lái)立刻進(jìn)入防抖動(dòng)程序模塊;若判定按鍵無(wú)手指按下的動(dòng)作，則使用自適應(yīng)方案。

圖11 SJD160判定按下程序設(shè)計(jì)流程圖

觸摸式按鍵的感應(yīng)強(qiáng)度決定了默認(rèn)值T的大小，默認(rèn)值T與感應(yīng)強(qiáng)度成反比關(guān)系。并且T的選擇需要參考抗干擾和能鑒別按鍵動(dòng)作：能鑒別按鍵動(dòng)作是指T不能太大，以保證能夠捕捉到按鍵動(dòng)作;而抗干擾是指標(biāo)準(zhǔn)值T也不能過(guò)小，目的是保證不會(huì)因?yàn)橥饨鐪囟龋瑵穸?，粉塵的影響而出現(xiàn)系統(tǒng)誤識(shí)別按鍵按下的情況。

3.2 SJD160判定松開設(shè)計(jì)思路

上述思路也被用于判定松開的設(shè)計(jì)中。由圖10可知，假設(shè)松開按鍵的默認(rèn)值是K，(K的選取規(guī)則和T相同)。如果A-B＞K，表示系統(tǒng)判定有松開按鍵動(dòng)作，最終重新刷新后再退出程序。

圖12 SJD160判定松開程序設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)SJD160觸摸專用芯片進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，為了提高電容式觸摸按鍵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，創(chuàng)造性地選用自適應(yīng)方法來(lái)刷新正常狀態(tài)下的無(wú)按鍵充電時(shí)間值，在程序設(shè)計(jì)上增添防抖動(dòng)操作，硬件上加強(qiáng)抗干擾水平的PCB電路繪制，為實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵系統(tǒng)提供了一個(gè)新的方法。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，上述方案優(yōu)化效果頗佳，切實(shí)有效地提高了電容式觸摸按鍵板的抗干擾和自適應(yīng)能力。

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