手机中的电容式传感解决方案

在中端手机行业中，用户界面的改善是新款手机获得成功的关键。如果一款手机根本没有人愿意用，那么它再好又有什么意义！考虑到这一点，制造商们正专注于开发创新技术，以便在不降低手机用户界面(CPUI)的性能的情况下替换尺寸较大的按钮和开关。在CPUI中采用电容式传感是缩减尺寸的一种行之有效的技术，它可提供低成本、鲁棒性、灵活性以及一个直观的CPUI，而且还与现有设备的外形尺寸和功能兼容。电容式传感功能可以与白光LED驱动和电池充电等其它标准手机功能相组合，以进一步降低手机的成本。赛普拉斯采用CapSense技术的PSoC混合信号阵列可让制造商轻松地在其手机中增加电容式传感功能。 典型的中端CPUI由几个按钮、开关和显示屏组成。如果只是想拥有基本功能，CPUI仅需一个字母数字键盘、显示屏，或许再加上一个电源开关就足够了。但目前制造商设计的手机能够浏览网页、发送文本消息、拍摄照片、甚至存储和播放背景音乐。在消费市场上，这些功能是吸引大多数消费者的关键因素。为支持这些功能，制造商需要增加CPUI的功能。对CPUI而言，功能的增加将产生两种后果：要么尺寸变大，要么更加复杂。不幸的是，消费者同样对更简单、小巧的手机情有独钟。手机制造商如何才能解决消费者提出的这一难题呢？一种可能的办法就是用电容式传感器来取代传统的按钮和开关。电容式传感器能很容易地替换时下CPUI最为常用的数字开关和线性滑块。 电容式传感器的基本形式就是一对相邻的极板。在这些相邻的极板之间存在着固有电容，电容值与极板的厚度成正比，与极板之间的距离成反比。在理想情况下，这是传感器唯一可测到的电容。当把一个导体(比如手指)放在靠近两块极板的地方时，就会给固有电容增加一个并联电容。此时，可测量的电容值便是固有电容值与手指至传感器的耦合电容值之和。当把手指放在电容式传感器之上，电容将增加。拿开手指后，电容将减小。智能地测量电容值的变化就可以确定手指是否存在。 图1：典型弛张振荡器拓扑结构。 电容式传感器由普通电子线路印刷电路板(PCB)上两个有一定间隔的相邻铜焊盘或铜线组成。这是一个基本的电容式数字开关。同样地，线性滑块由PCB上电容式传感器的一个阵列构成。典型情况下，传感器的一块铜极板接地，只留有一块有源极板。实际上，边缘电容会增加传感器的固有电容，通常总的典型值为10pF～30pF。典型的手指耦合电容值为1pF～2pF。实现电容式传感器的挑战在于设计一个能够测量3%的电容变化(由手指引起)的电路。 弛张振荡器是一种简单而有效的电容测量电路。典型的弛张振荡器电路拓扑结构(图1)包括4个元件：同步比较器、电流源、放电开关和电容式传感器。 一开始，放电开关处于开路状态，电流源对电容式传感器进行线性充电。电容式传感器上的电压斜线上升，直到超过比较器的阈值。比较器的输出从低电平变换至高电平，使放电开关闭合。电容式传感器通过该低阻抗通道迅速向地放电。该过程将使比较器的输出由高变低，然后重复循环。输出频率(fout)取决于充电电流和电容式传感器数值，关系式如下： 典型设计将振荡器频率设定在20kHz至200kHz的范围内，然后将该频率馈入一个智能测量电路。通过测量频率的变化，即可判定手指是否存在。有两种广为采用的测量弛张振荡器频率的方法：一种是测量频率，另一种是测量周期。 图2：频率测量的电路与波形。 频率测量是指利用门控定时器，在一段固定时间内测量弛张振荡器的频率(图2)。通过读取定时器来确定在固定时间中累积的计数值。这种方法适用于与振荡器周期相比，电容式传感器的放电时间可以忽略不计的低频应用。 周期测量利用振荡器频率作为脉宽调制器(PWM)的门控信号(图3)。一个比弛张振荡器频率更高的频率被用来对定时器定时。定时器时钟越快，测量电容的分辨率越高。可采用传统的555定时器或更加复杂的微控制器轻松实现这两种方法。由于确定手指存在与否需要借助智能软件算法，基于微控制器的解决方案似乎更加精巧。 PSoC混合信号阵列 赛普拉斯的PSoC混合信号阵列CY8C21x34和CY8C24794系列产品采用CapSense技术，具有一组独特的硬件特性，它通过弛张振荡器拓扑结构实现具有成本效益、简单的电容式传感设计。图4给出了这种拓扑结构。这组特性包括：多倍精度定时器和计数器、自动连接放电开关的比较器、可编程电流源以及一个可使每个引脚都成为潜在电容式传感器的通用模拟多路复用器。和所有的PSoC一样，实现特定应用所需的外设均通过内部寄存器来配置。PSoC Designer是为PSoC应用设计提供帮助的软件工具，它包括专用用户模块和向导，以针对电容式传感设计配置内部寄存器。这一对功能强大的组合为工程师们提供了实现简单的电容式数字开关(甚至更加复杂的电容式线性滑块)所需的工具。除了内部寄存器配置之外，PSoC Designer还包括必要的软件程序，用于确定数字开关上是否有手指触摸或者确定手指在线性滑块上的准确位置。为实现完整的电容式传感应用，这种智能是必需的。 周期测量的电路与波形(图3)以及用于电容式传感的PSoC弛张振荡器拓扑结构(图4)。 该软件算法提供两个智能化功能。第一个功能是把从测量电路获得的计数值转换为手指检测结果。数字开关和线性滑块均需要这一功能。第二个功能是利用多传感器阵列的电容加权平均值计算手指在线性滑块上的位置。双单元滑块有一个固有的单元最低有效位(LSB)。如果手指在滑块之上，则它可以位于单元1和/或单元0之上。但是，从分辨率来看，手指位置通常超过各个电容式传感器的物理间距，因此第二个功能还融合了一个插值算法。插值处理将LSB从1单元减小至1/2单元、1/4单元或1/16单元。插值是实现平滑的电容式线性滑块的关键。CapSense技术和智能软件算法的结合使PSoC成为了电容式传感应用领域的佼佼者。 电容式数字开关可轻而易举地取代当今CPUI中的基本字母数字键盘和电源开关。这种替代方案具有双重优点：CPUI的物理厚度和总成本均有所缩减。利用电容式传感，多种复杂和基本的CPUI功能可以被整合在一个电容式线性滑块中。滑块提供用于网页浏览或地址簿遍历的翻屏功能、音量控制、甚至亮度控制功能。实现所有这些功能所占用的空间小于传统CPUI所需的空间。 二维线性滑块可将传统的CPUI转变成触摸板(与普通便携式电脑所使用的触摸板相似)。具有触摸板CPUI的中端手机能够提供诸如光标控制等更便于操作的功能。电容式触摸板的另一个特点是能适应各种几何形状。当与如今许多中端手机的外形和功能融为一体时，触摸板提供无缝的灵活性。 一个需要解决的问题是与周围环境的隔离。如果允许手指直接接触电容式传感器，或者受其它外界环境的危害，手机的使用寿命就会缩短。因此，必须利用绝缘材料将电容式传感器与周围环境隔离开来。便携式电脑和媒体设备制造商常常采用聚脂胶带或塑料膜提供必要的隔离。不幸的是，绝缘材料将降低手指与传感器之间的耦合电容。较低耦合电容意味着手指检测灵敏度下降。常见的隔离材料厚度值为0.5mm，最大厚度接近2mm。如果超过该厚度，电容式传感器的灵敏度将低至无法到检测手指的存在。 虽然采用绝缘层会造成总体灵敏度下降，但它却为手机制造商提供了一条创新的途径。制造商可以把二维传感器隐匿于各种色彩绚烂的塑料膜的后面。在这种塑料膜的表面丝印了可提供基本手机功能的字母数字图案，再沿着塑料膜的周边丝印一个滚动条，这样就能够实现高级功能。同样的电容式触摸板加上各种塑料膜便能实现多个CPUI功能。 电容式传感功能也可与其它的标准手机功能相结合以降低手机成本。采用CapSense技术的PSoC混合信号阵列就是为提供这种灵活性而设计。PSoC能够驱动嵌入在手机显示屏内的白光LED，甚至还可为内部的手机电池充电。以往一直由分离的微控制器来处理的功能如今已可被集成到单个PSoC中。 对当今的中端手机制造商而言，电容式传感技术具有强大优势。电容式传感CPUI不仅改进了手机的工业设计，而且还为不断增加的消费市场需求提供了创新的解决方案。赛普拉斯采用CapSense技术的PSoC混合信号阵列是实现高性能并具有成本效益的电容式传感解决方案的关键。