作者： 劉彥珺 趙豐
引言
利用人體和電極之間產(chǎn)生的靜電電容進(jìn)行工作的電容式觸摸開(kāi)關(guān)，最初被應用于智能手機，進(jìn)而又被廣泛地應用在了家電產(chǎn)品、AV機器、汽車(chē)以及工業(yè)設備上。由于觸摸開(kāi)關(guān)的組成無(wú)需機械部件，因此使用起來(lái)非常靈活，甚至可以安裝在堅硬的曲面上。本文基于瑞薩電子的靜電電容式觸摸技術(shù)，介紹觸摸開(kāi)關(guān)檢測的基本原理以及抗干擾技術(shù)等。
觸摸開(kāi)關(guān)檢測原理簡(jiǎn)介
靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)通過(guò)捕捉人體與電極之間靜電電容（1pF以下）的微弱變化，判斷開(kāi)關(guān)的ON/OFF狀態(tài)。有很多種方法可以將靜電電容量轉換為開(kāi)關(guān)的ON/OFF狀態(tài)。其中最簡(jiǎn)單的方法，是利用靜電電容和電阻形成低通濾波器（LPF），通過(guò)測量充電/放電常數的變化判斷靜電電容的變化。這種方式被稱(chēng)為張馳振蕩方式。由于其電路簡(jiǎn)單，無(wú)需專(zhuān)用的靜電電容測量電路，因此被廣泛應用。但是這種方法的抗噪聲性能偏弱，有時(shí)會(huì )由于照明燈具或家電產(chǎn)品的逆變噪聲而發(fā)生誤判。
瑞薩電子開(kāi)發(fā)的靜電電容式觸摸檢測方法，利用開(kāi)關(guān)電容濾波器（SCF）將靜電電容量轉換為電流量，對該信號進(jìn)行放大和數字化處理后，根據它判定開(kāi)關(guān)的ON/OFF狀態(tài)。這種方法具有靈敏度高，抗噪聲性能強的優(yōu)點(diǎn)。具體的檢測流程如圖1所示。本章按照圖1的流程，說(shuō)明靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)的基礎知識。
圖.1 靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)的檢測流程（“數字.數字”表示章節號）
靜電電容的發(fā)生
靜電電容發(fā)生的機理如圖2所示。電極和其周?chē)膶щ婓w（地線(xiàn)、金屬框等）之間存在寄生電容（Parasitic Capacity: Cp）。當人體接近、觸摸電極時(shí)，人體和電極之間通過(guò)手指產(chǎn)生新增的靜電電容（Finger Capacity: Cf），并通過(guò)可以導電的人體和大地連接（如圖2中紅線(xiàn)所示）。
圖.2 靜電電容的發(fā)生（自電容方式）
電極上產(chǎn)生的靜電電容的總容量（Total Capacity），如下所示：
靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)按照一定周期循環(huán)測量電極的靜電電容量，并根據人體接觸時(shí)產(chǎn)生的靜電電容的增加量Cf，判定觸摸開(kāi)關(guān)的ON或者OFF狀態(tài)。
靜電電容的發(fā)生
如[靜電電容的發(fā)生]所述，將人體與電極之間產(chǎn)生的靜電電容量轉換為電流量的方法使用了開(kāi)關(guān)電容濾波器（Switched Capacitor Filter: SCF）。如圖3所示，SCF是由2個(gè)開(kāi)關(guān)、控制2個(gè)開(kāi)關(guān)交互ON/OFF動(dòng)作的控制脈沖、電源以及電容組成的。
圖.3 SCF構成及電容的充放電動(dòng)作
SW1和SW2在控制脈沖的作用下，一個(gè)開(kāi)關(guān)ON時(shí)，另外一個(gè)開(kāi)關(guān)OFF。如圖3中的左圖所示，當SW1 = ON；SW2 = OFF時(shí)，電容充電。隨后，如圖3中的右圖所示，切換到SW1 = OFF；SW2 = ON的狀態(tài)后，電容放電。流經(jīng)電容的電流i、開(kāi)關(guān)的切換頻率f、電容值c和電路供電電壓v之間的關(guān)系，如下式所示：
i = fcv
如果f和v固定不變，電流i和電容c成正比。因此，可以使用SCF將人體接近時(shí)產(chǎn)生的靜電電容量的變化轉換為電流量的變化。通過(guò)調整切換頻率f和供電電壓v，可以改變靜電電容變化量和電流變化量之間的比例系數。
電流的數值化
電容的容量值轉換為成比例的電流量后，經(jīng)過(guò)電流—頻率轉換電路轉換為和電流量成比例的振蕩脈沖。然后，計數器對振蕩脈沖計數，進(jìn)而將電流轉換為成比例的數字值。
電流的數值化流程，如圖4所示。對SCF的電容循環(huán)執行充放電操作時(shí)，電容中會(huì )產(chǎn)生交流電流。后續的電流平滑電路將交流電流轉換為直流電流后，電流輸入到電流振蕩器，轉換為頻率和輸入電流成比例的振蕩脈沖。脈沖計數器對一定時(shí)間內的脈沖計數，并保存計數結果。
圖.4 電流數值化的流程
開(kāi)關(guān)的ON/OFF判定
如[靜電電容的發(fā)生]所述，自電容方式是通過(guò)檢測靜電電容量的增加來(lái)判斷人體是否接觸電極的。按照一定周期循環(huán)執行2.1~2.3章中介紹的靜電電容量的測量，可以根據測量值的變化判定人體是否接觸電極。
手指接近和離開(kāi)電極時(shí)，開(kāi)關(guān)的ON/OFF判定流程如圖5所示。靜電電容量的測量按圖中所示的時(shí)序每隔一定時(shí)間執行一次。計測值如圖中藍線(xiàn)所示，當手指遠離電極時(shí)，保持為一定的計數值；當手指接近電極時(shí)，靜電電容量和計數值逐漸增加。當手指再次遠離時(shí)，計數值逐漸下降并保持為一定的數值。把手指遠離電極時(shí)的計數值作為基準值（圖中綠色虛線(xiàn)）。在基準值基礎上疊加一個(gè)閾值，作為臨界值。當計測值超出臨界值時(shí)，判定開(kāi)關(guān)為ON。當計測值低于臨界值時(shí)，判定開(kāi)關(guān)為OFF。由此，可以實(shí)現靜電觸摸開(kāi)關(guān)的ON/OFF切換。
此外，改變閾值的大小可以調整觸摸開(kāi)關(guān)的靈敏度。改變計測周期和計算多個(gè)計數值的平均值，可以抑制開(kāi)關(guān)的抖顫，調整開(kāi)關(guān)的反應速度。
圖.5 開(kāi)關(guān)的ON/OFF判定
硬件及軟件抗干擾技術(shù)
靜電電容式觸摸開(kāi)關(guān)是基于靜電電容量的微弱變化而工作的。因此，設計時(shí)必須盡量避免噪聲和電源波動(dòng)的影響。
瑞薩電子提供的Touch解決方案，不僅在電容觸摸傳感單元（簡(jiǎn)稱(chēng)：CTSU）中內置了多種噪聲抑制電路，同時(shí)還提供了用于抑制噪聲的軟件濾波器。本章主要介紹CTSU模塊的硬件抗干擾功能和軟件抗噪聲技術(shù)。
硬件CTSU模塊的抗擾度
為了抑制由輻射、傳導引入的噪聲，CTSU內置了多種噪聲抑制電路，以穩定靜電電容的測量。以下分別說(shuō)明這些電路的組成及功能。
SCF時(shí)鐘的相移
為了使用SCF將靜電電容量轉換為電流量，CTSU按照一定的周期切換SCF開(kāi)關(guān)的ON/OFF狀態(tài)，實(shí)現對外部電容充電/放電的循環(huán)操作。此時(shí)，如果在電極上混入和SCF開(kāi)關(guān)同周期的噪聲，并且噪聲的波峰/波谷與充電/放電期間始終一致，那么電流會(huì )因噪聲相應增加或減少，進(jìn)而可能造成測量無(wú)法正確進(jìn)行。作為解決同周期噪聲的對策，CTSU內置了SCF驅動(dòng)脈沖的相移電路。通過(guò)反轉驅動(dòng)脈沖的相位，防止驅動(dòng)脈沖和噪聲的波峰/波谷同相位。相移由多項式計數器決定，1次計測中，SCF脈沖的相移次數和180°相移次數要一致。
同周期噪聲的影響和180°相移對同周期噪聲的抑制作用，如圖6所示。充電時(shí)如果SCF驅動(dòng)脈沖和噪聲的波峰同相，噪聲產(chǎn)生的電流分量會(huì )疊加到電流的充放電波形上。此時(shí)，充電電流會(huì )因噪聲而增加，造成計測結果大于實(shí)際容量。如果噪聲產(chǎn)生的容量大于手指接觸所產(chǎn)生的電容增加量，就會(huì )發(fā)生由于噪聲的干擾，即使無(wú)觸摸動(dòng)作，判定結果卻為ON的誤判。因此，需要按照一定的規則對SCF驅動(dòng)脈沖執行180°相移，通過(guò)反轉驅動(dòng)脈沖和噪聲的同步關(guān)系，平衡因噪聲造成的電流量增減。多項式計算器的次數和頻率，可以通過(guò)CTSU的寄存器調整。
此外，位移對策不僅可以抑制同頻率的噪聲，對頻率為驅動(dòng)脈沖頻率奇數倍的噪聲同樣有效。
圖.6 同周期噪聲的影響和180°相移對同周期噪聲的平衡化
SCF驅動(dòng)脈沖的邊沿擴散
噪聲頻率是SCF驅動(dòng)脈沖頻率的整數倍時(shí)，驅動(dòng)脈沖的邊沿會(huì )和噪聲同步，對靜電電容的測量造成影響。對于如圖7所示的噪聲，可以利用和驅動(dòng)脈沖非同步的信號對SCF驅動(dòng)脈沖的邊沿做歸一化處理，擴展邊沿頻率。如前所述，將調制后的電流輸入到ICO for spread spectrum產(chǎn)生歸一化所用的脈沖，可以避免SCF驅動(dòng)脈沖與噪聲同步（參考圖8）。
圖.7 SCF驅動(dòng)脈沖和倍頻噪聲的示例
圖.8 通過(guò)擴展時(shí)鐘對SCF驅動(dòng)脈沖歸一化
軟件對策
CTSU內置的抗干擾電路無(wú)法消除數kHz以下的低頻噪聲。數kHz頻域的低頻噪聲需要通過(guò)軟件方法消除。以下舉例說(shuō)明抑制低頻噪聲的軟件對策。
漂移校正處理
觸摸檢測的結果會(huì )受到溫度、濕度、材料老化等環(huán)境變化的影響。這些頻率為數kHz以下的緩慢變化，很難通過(guò)硬件處理。因此，需要通過(guò)軟件積分的方法抑制這些低頻噪聲的干擾。
漂移校正的工作原理如圖9所示。如前所述，基準值以及在其基礎上生成的ON/OFF閾值是由軟件計算生成的。計測值和生成的閾值逐次比較，進(jìn)而判定觸摸或非觸摸（ON/OFF）。計測值積分運算后的結果取平均值作為基準值，可以平緩環(huán)境變化對計測值造成的變動(dòng)。變更積分運算所用的計測值的個(gè)數，可以調整對環(huán)境變化的適應性。
此外，當判定結果為ON時(shí)，暫停漂移校正處理；當后續的判定結果出現OFF時(shí)，再重啟漂移校正處理。如果判定為ON時(shí)繼續執行漂移校正處理，長(cháng)時(shí)間的觸摸動(dòng)作會(huì )造成基準值逐漸接近計測值，并最終等于計測值。這時(shí)，會(huì )出現結果為OFF的誤判。因此，當判定結果為ON時(shí)，要暫停漂移校正處理，防止結果誤判。
圖.9 漂移校正處理
隨機噪聲的對策
為了抑制隨機噪聲對計測值的干擾，軟件中增加了對計測值進(jìn)行平滑處理的軟件濾波器。以下通過(guò)實(shí)例對軟件濾波器進(jìn)行說(shuō)明。
(1) 平滑濾波器
平滑濾波器的實(shí)例，如圖10所示。在本例中，使用本次計測值及前3次計測值（共計4次）的平均值作為本次檢測的計測值。通過(guò)調整計算平均值所用的計測值的個(gè)數，可以抑制不同頻率的噪聲。例如，計測周期 = 20ms時(shí)，為了抑制10Hz的噪聲（噪聲周期 = 100ms），需要使用5個(gè)以上的計測值來(lái)計算平均值。需要注意的是，用于計算平均值的計測值個(gè)數越多，觸摸鍵的反應速度越慢。
圖.10 平滑濾波器的示例
(2) 上限濾波器
上限濾波器首先比較本次計測值和前次計測值。如果二者的差值大于預先設定的差值上限，則將前次計測值與差值上限之和作為本次的計測值。當系統中出現爆發(fā)式噪聲時(shí)，計測值會(huì )出現劇烈的變化。使用上限濾波器，能夠實(shí)現平穩計測值的作用。通過(guò)限制計測值的急劇增減，抑制因噪聲造成的觸摸/非觸摸的誤判。由于上限濾波器削減了噪聲的峰值，因此在抑制噪聲方面，比前面介紹的平滑濾波器更為有效。但同樣需要注意的是，設定時(shí)縮小差值的上限/下限，會(huì )增加觸摸檢測的時(shí)間，從而降低觸摸鍵的反應速度。
抖顫噪聲的對策
和機械觸點(diǎn)型開(kāi)關(guān)相同，使用觸摸鍵有時(shí)也需要消除抖顫。以下說(shuō)明消除抖顫的對策。
(1) N次一致法
判斷觸摸鍵ON→OFF、OFF→ON的狀態(tài)變化時(shí)，如果連續N次的判斷結果均一致，即N次的判斷結果均為ON或均為OFF時(shí)，判定為ON或者OFF。增加連續一致的次數N，可強化抑制抖顫的效果，但會(huì )降低觸摸鍵的反應速度。
(2) 多數一致法
累計一定時(shí)間內的ON或者OFF的次數，將次數多者作為本次的判斷結果。和上述的N次一致法相比，多數一致法的判斷速度更快，但去抖顫能力相對較低。
結論
利用靜電電容式觸摸檢測技術(shù)，可以減少機械部件的使用，降低成本，并可靈活應用于各種面板上。電容式觸摸技術(shù)在使用時(shí)需要特別注意抗干擾的處理。分別針對不同噪聲干擾頻段，結合使用硬件及軟件抗干擾措施，可以有效提高靜電電容式觸摸檢測系統的可靠性。
