【導(dǎo)讀】電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)在用戶界面上已然成為一種趨勢，但是電容式感應(yīng)按鍵的設(shè)計以及實現(xiàn)穩(wěn)定的實現(xiàn)方案對系統(tǒng)工程師來說是一項非常繁重的工作。在本文中，我們將重點介紹如何通過五個簡單的步驟來設(shè)計出可靠的電容式觸摸傳感器。
按鍵被廣泛應(yīng)用于消費類產(chǎn)品、家用電器以及工業(yè)系統(tǒng)等各種終端產(chǎn)品。現(xiàn)今深諳技術(shù)的消費者希望得到具有時尚可靠用戶界面的產(chǎn)品。他們希望即便是簡單的產(chǎn)品都應(yīng)該款式新穎，按鍵耐磨且易于維修。
在傳統(tǒng)的用戶界面（UI）設(shè)計中使用的是可靠性差且笨重沒吸引力的機械按鍵。基于這些以及其他原因，電容式感應(yīng)按鍵逐步開始替代機械按鍵。電容式感應(yīng)按鍵可以完全融入產(chǎn)品設(shè)計之中，而且永遠不會磨損。因此，基于電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的用戶界面成為了目前用戶界面的設(shè)計趨勢。
然而，電容式感應(yīng)按鍵的設(shè)計以及實現(xiàn)穩(wěn)定的實現(xiàn)方案對系統(tǒng)工程師來說是一項非常繁重的工作。在本文中，我們將重點介紹如何通過五個簡單的步驟來設(shè)計出可靠的電容式觸摸傳感器。
傳統(tǒng)按鍵系統(tǒng)：
在談?wù)撛趺磳C械按鍵系統(tǒng)改造成電容式系統(tǒng)設(shè)計之前，讓我們先來快速地了解下機械按鍵系統(tǒng)。機械按鍵一般都是使用諸如塑料、木材或金屬之類的材料制成。這些系統(tǒng)必須具備極高的可靠性，因為它們很容易受到灰塵等環(huán)境因素的影響，而且不耐磨。機械開關(guān)可循環(huán)使用的次數(shù)決定了其使用壽命（而且通常還決定了產(chǎn)品的使用壽命）。為了讓機械開關(guān)實現(xiàn)超長使用壽命，必須進行可靠、長時間的設(shè)計。
在設(shè)計中要考慮到的另外一個因素是美學(xué)設(shè)計。很多機械按鍵的設(shè)計都不好看又不吸引人，因此還需要花一些額外的功夫來進行美學(xué)方面的精美設(shè)計。由于機械按鍵通常會在設(shè)備上凸出來，因此要設(shè)計出一個帶機械按鍵的時尚而穩(wěn)健可靠的用戶界面系統(tǒng)并不是一件容易的事。而在這方面電容式傳感器按鍵可以大大簡化這方面的設(shè)計。
然而，要設(shè)計出一個電容式感應(yīng)系統(tǒng)也并非易事。它要比設(shè)計機械按鍵系統(tǒng)復(fù)雜很多，因為：
1.在感應(yīng)和開/關(guān)判定邏輯上會涉及到諸多感應(yīng)參數(shù)。
2.電容式觸摸傳感器易受到外部噪聲的干擾。
感應(yīng)電路涉及到眾多硬件參數(shù)，諸如參考電壓、源極/汲極電流、時鐘等。因此，電容式開關(guān)的開/關(guān)判定邏輯還涉及到閥值等很多軟件參數(shù)。必須將這些參數(shù)設(shè)置為最優(yōu)值以實現(xiàn)最佳性能。為這些參數(shù)選擇最優(yōu)值稱為調(diào)諧。對電容式感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)諧是一個既費時又費力的過程。電容式感應(yīng)涉及到很多參數(shù)，因此會有很多的參數(shù)組合，這使得調(diào)諧工作更加費時。
可配置電容式感應(yīng)器件：
可配置電容式感應(yīng)器件可以避免繁瑣的調(diào)諧過程。現(xiàn)有一些帶有嵌入式自動調(diào)諧算法的預(yù)編程器件。自動調(diào)諧算法可以根據(jù)傳感器及其他感應(yīng)元件的特征對所有的感應(yīng)參數(shù)進行調(diào)諧，以達到最佳值。這樣就無需進行調(diào)諧操作，也消除了電容式傳感器的最大設(shè)計障礙。
另外，可配置電容式感應(yīng)器件通常都支持各種外設(shè)和功能，如LED驅(qū)動器、蜂鳴器、掃描速率控制等。對這些器件進行配置就意味著啟用/禁用所需的這些功能，并根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)定活動功能的參數(shù)值。賽普拉斯的MBR系列電容式感應(yīng)器件就是一款可以簡化電容式感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計的可配置器件。在本系列文章中，我們以可配置電容式感應(yīng)器件MBR器件為例，來探索電容式感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計。
現(xiàn)在讓我們來快速看一下在使用和不使用MBR器件情況下，電容式感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計周期。
圖1：不使用MBR器件時電容式感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計周期
圖2：使用MBR器件時電容式感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計周期
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從圖1和圖2中的設(shè)計流程我們可以看出，MBR器件最突出的優(yōu)勢在于：
1.使用MBR器件可以免除耗時的固件開發(fā)。
2.MBR器件所支持的自動調(diào)諧功能可以避免耗時的手動調(diào)諧工作，而且還可以進行設(shè)計迭代。
在下面章節(jié)中，我們將介紹使用MBR器件進行電容式感應(yīng)器設(shè)計的5個步驟。此外，我們還將介紹電容式觸摸按鍵系統(tǒng)能夠提供的其他優(yōu)勢與特性。
五步輕松替換機械按鍵
采用目前的MBR器件，就可避免固件開發(fā)、工藝變動分析、精調(diào)和產(chǎn)品精調(diào)等主要設(shè)計步驟。這樣，我們利用MBR器件通過五個簡單的步驟就可輕松替換機械按鍵。接下來我們探討一下使用MBR器件設(shè)計電容式感應(yīng)系統(tǒng)的步驟，以及可以讓我們從機械按鍵輕松過渡到電容式感應(yīng)按鍵的典型生態(tài)系統(tǒng)。
下圖給出了電容式感應(yīng)應(yīng)用設(shè)計的五個步驟。
圖3：設(shè)計電容式感應(yīng)應(yīng)用的五個步驟
以下為這五個步驟：
1.使用評估工具率先親自體驗MBR器件：
借助評估工具，并使用MBR器件構(gòu)建設(shè)計的基本原型設(shè)計。
2.為您的應(yīng)用設(shè)計原理圖及布局：
恰當?shù)挠布韴D與布局設(shè)計，對電容式感應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)健運行至關(guān)重要。在本系列文章的后續(xù)部分，我們將會探討硬件設(shè)計方面的一些重要考慮因素。
3.配置MBR器件：
應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的要求選擇所需的MBR器件特性。我們可以使用專門配置MBR器件的工具來完成這項操作。我們將探討一些使用電容式傳感器的常見應(yīng)用，了解這些應(yīng)用需要哪些功能與特性，以及MBR器件如何能夠滿足這些要求。我們還會看到配置MBR器件的各種方法。
4.驗證您的設(shè)計：
一旦硬件準備就緒，并且在MBR器件中選好了功能，下一步就是使用硬件和MBR器件來驗證系統(tǒng)的設(shè)計。在本系列文章中，我們將探討MBR器件制造商是如何提供工具和生態(tài)系統(tǒng)來簡化MBR設(shè)計的驗證工作。
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5.進行大規(guī)模生產(chǎn)：
一旦設(shè)計通過驗證，第五步也是最后一步：進行大規(guī)模生產(chǎn)。我們將探索進行大規(guī)模生產(chǎn)所需要考慮的主要因素。
第一步：使用評估工具率先親自體驗MBR器件
在設(shè)計觸摸感應(yīng)系統(tǒng)的原型之前，應(yīng)先熟悉MBR器件并學(xué)習(xí)如何使用制造商的評估工具對其進行配置，這一點非常有用。
賽普拉斯的CY3280-MBR3CapSense MBR3評估套件就是一款用于MBR器件的評估工具。該評估套件包括評估電路板、樣本配置、軟件安裝程序和用戶指南。EZ-Click是賽普拉斯提供的直觀型GUI工具，可用來配置器件。樣本配置作為評估套件包的一部分，能夠幫助用戶熟悉如何配置MBR器件。
第二步：原理圖和布局設(shè)計：
原理圖：
建議您根據(jù)MBR設(shè)計指南中給出的建議來設(shè)計原理圖。MBR器件的設(shè)計指南提供了綜合全面的注意事項列表以及一些最佳實踐。
例如，為不同的功能選擇錯誤的引腳輸出會給性能帶來負面影響。考慮一下如果運行與傳感器跡線平行布局的通用輸出（GPO）跡線會怎么樣。在這種情況下，傳感器非常容易受到GPO狀態(tài)翻轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲干擾。我們必須在原理圖設(shè)計的開始階段就避免出現(xiàn)這樣的情況。具體來說，就是絕不能將傳感器引腳旁邊的引腳選作GPO。此外，在選擇諸多功能多路復(fù)用的引腳時也要特別小心。這意味著每個引腳都具有多種功能，并且要根據(jù)用戶配置來選擇功能。
現(xiàn)在我們來看一看您在為設(shè)計創(chuàng)建原理圖時需要考慮的一些重要事項。使用MBR器件進行原理圖設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：
1.傳感器引腳的選擇
正如前面所提到的，傳感器必須避免使用GPO引腳旁邊的引腳。否則GPO上邏輯級的翻轉(zhuǎn)可能會導(dǎo)致串擾的發(fā)生，使傳感器出現(xiàn)誤觸發(fā)的情況。
除了按鍵以外，MBR器件還可支持一些特殊的傳感器（例如接近傳感器）和滑條。如果您的應(yīng)用需要這些特殊傳感器，那么必須先為其選擇引腳，因為一般來說只有某些專用的引腳才能支持這些特殊傳感器。
為傳感器選好引腳之后，下一步工作就是改善抗噪性。下面介紹一些有助于提高抗噪性的技術(shù)方法：
a.在每個傳感器上配備串聯(lián)電阻器。這樣就會形成一個帶傳感器寄生電容的低通RC濾波器，可用來抑制射頻噪聲振幅。
圖4：用RC濾波器來抑制射頻噪聲振幅
b.將未使用的傳感器引腳短路接地，而不是使其浮動。這樣可以避免未使用的傳感器引腳拾取外部噪聲并將其傳輸至電容式感應(yīng)系統(tǒng)。
2.GPO引腳的選擇
在選擇GPO引腳時必須考慮到傳感器引腳的選擇，這樣就可以避免GPO線路和傳感器之間的串擾。
MBR器件可支持源點（sourcing）和匯點（sinking）配置，來驅(qū)動GPO引腳上的LED。由于GPO的電流吸收能力要比其供電能力高很多，因此我們建議在源點配置下連接LED。
為了限制電流大小，應(yīng)根據(jù)供電電壓添加一個適當數(shù)值的串聯(lián)電阻。如果您的設(shè)計所要求的吸收電流超過最高限值，那么可在GPO引腳上連接一個外部晶體管，并在強驅(qū)動模式下配置GPO。
3.電源連接和接地
為了限制傳導(dǎo)輻射，應(yīng)使用數(shù)據(jù)表中所推薦的合適去耦電容。
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4.其它的無源組件
一項好的電容式感應(yīng)系統(tǒng)原理圖設(shè)計中必須包含MBR器件設(shè)計指南中所推薦的適當數(shù)值的所有無源組件。
其中一些重要的無源組件包括：
根據(jù)設(shè)計指南中給出的建議來設(shè)計您的原理圖。
圖5：使用MBR器件的樣本原理圖
在第1部分中，我們了解了步驟1的內(nèi)容以及步驟2中的原理圖部分。在第2部分，我們將介紹在使用電容式感應(yīng)按鍵替代機械按鍵時所需的設(shè)計布局情況。另外我們還會講到一個應(yīng)用范例。
