大咖谈技术丨静电电容式触摸检测技术

引言

利用人体和电极之间产生的静电电容进行工作的电容式触摸开关，最初被应用于智能手机，进而又被广泛地应用在了家电产品、AV机器、汽车以及工业设备上。由于触摸开关的组成无需机械部件，因此使用起来非常灵活，甚至可以安装在坚硬的曲面上。本文基于瑞萨电子的静电电容式触摸技术，介绍触摸开关检测的基本原理以及抗干扰技术等。

静电电容式触摸开关通过捕捉人体与电极之间静电电容（1pF以下）的微弱变化，判断开关的ON/OFF状态。有很多种方法可以将静电电容量转换为开关的ON/OFF状态。其中最简单的方法，是利用静电电容和电阻形成低通滤波器（LPF），通过测量充电/放电常数的变化判断静电电容的变化。这种方式被称为张驰振荡方式。由于其电路简单，无需专用的静电电容测量电路，因此被广泛应用。但是这种方法的抗噪声性能偏弱，有时会由于照明灯具或家电产品的逆变噪声而发生误判。

瑞萨电子开发的静电电容式触摸检测方法，利用开关电容滤波器（SCF）将静电电容量转换为电流量，对该信号进行放大和数字化处理后，根据它判定开关的ON/OFF状态。这种方法具有灵敏度高，抗噪声性能强的优点。具体的检测流程如图1所示。本章按照图1的流程，说明静电电容式触摸开关的基础知识。

静电电容的发生

静电电容发生的机理如图2所示。电极和其周围的导电体（地线、金属框等）之间存在寄生电容（Parasitic Capacity: Cp）。当人体接近、触摸电极时，人体和电极之间通过手指产生新增的静电电容（Finger Capacity: Cf），并通过可以导电的人体和大地连接（如图2中红线所示）。

电极上产生的静电电容的总容量（Total Capacity），如下所示：

静电电容式触摸开关按照一定周期循环测量电极的静电电容量，并根据人体接触时产生的静电电容的增加量Cf，判定触摸开关的ON或者OFF状态。

静电电容的发生

如[静电电容的发生]所述，将人体与电极之间产生的静电电容量转换为电流量的方法使用了开关电容滤波器（Switched Capacitor Filter: SCF）。如图3所示，SCF是由2个开关、控制2个开关交互ON/OFF动作的控制脉冲、电源以及电容组成的。

SW1和SW2在控制脉冲的作用下，一个开关ON时，另外一个开关OFF。如图3中的左图所示，当SW1 = ON；SW2 = OFF时，电容充电。随后，如图3中的右图所示，切换到SW1 = OFF；SW2 = ON的状态后，电容放电。流经电容的电流i、开关的切换频率f、电容值c和电路供电电压v之间的关系，如下式所示：

i = fcv

如果f和v固定不变，电流i和电容c成正比。因此，可以使用SCF将人体接近时产生的静电电容量的变化转换为电流量的变化。通过调整切换频率f和供电电压v，可以改变静电电容变化量和电流变化量之间的比例系数。

电流的数值化

电容的容量值转换为成比例的电流量后，经过电流—频率转换电路转换为和电流量成比例的振荡脉冲。然后，计数器对振荡脉冲计数，进而将电流转换为成比例的数字值。

电流的数值化流程，如图4所示。对SCF的电容循环执行充放电操作时，电容中会产生交流电流。后续的电流平滑电路将交流电流转换为直流电流后，电流输入到电流振荡器，转换为频率和输入电流成比例的振荡脉冲。脉冲计数器对一定时间内的脉冲计数，并保存计数结果。

开关的ON/OFF判定

如[静电电容的发生]所述，自电容方式是通过检测静电电容量的增加来判断人体是否接触电极的。按照一定周期循环执行2.1~2.3章中介绍的静电电容量的测量，可以根据测量值的变化判定人体是否接触电极。

手指接近和离开电极时，开关的ON/OFF判定流程如图5所示。静电电容量的测量按图中所示的时序每隔一定时间执行一次。计测值如图中蓝线所示，当手指远离电极时，保持为一定的计数值；当手指接近电极时，静电电容量和计数值逐渐增加。当手指再次远离时，计数值逐渐下降并保持为一定的数值。把手指远离电极时的计数值作为基准值（图中绿色虚线）。在基准值基础上叠加一个阈值，作为临界值。当计测值超出临界值时，判定开关为ON。当计测值低于临界值时，判定开关为OFF。由此，可以实现静电触摸开关的ON/OFF切换。

此外，改变阈值的大小可以调整触摸开关的灵敏度。改变计测周期和计算多个计数值的平均值，可以抑制开关的抖颤，调整开关的反应速度。

静电电容式触摸开关是基于静电电容量的微弱变化而工作的。因此，设计时必须尽量避免噪声和电源波动的影响。

瑞萨电子提供的Touch解决方案，不仅在电容触摸传感单元（简称：CTSU）中内置了多种噪声抑制电路，同时还提供了用于抑制噪声的软件滤波器。本章主要介绍CTSU模块的硬件抗干扰功能和软件抗噪声技术。

硬件CTSU模块的抗扰度

为了抑制由辐射、传导引入的噪声，CTSU内置了多种噪声抑制电路，以稳定静电电容的测量。以下分别说明这些电路的组成及功能。

为了使用SCF将静电电容量转换为电流量，CTSU按照一定的周期切换SCF开关的ON/OFF状态，实现对外部电容充电/放电的循环操作。此时，如果在电极上混入和SCF开关同周期的噪声，并且噪声的波峰/波谷与充电/放电期间始终一致，那么电流会因噪声相应增加或减少，进而可能造成测量无法正确进行。作为解决同周期噪声的对策，CTSU内置了SCF驱动脉冲的相移电路。通过反转驱动脉冲的相位，防止驱动脉冲和噪声的波峰/波谷同相位。相移由多项式计数器决定，1次计测中，SCF脉冲的相移次数和180°相移次数要一致。

同周期噪声的影响和180°相移对同周期噪声的抑制作用，如图6所示。充电时如果SCF驱动脉冲和噪声的波峰同相，噪声产生的电流分量会叠加到电流的充放电波形上。此时，充电电流会因噪声而增加，造成计测结果大于实际容量。如果噪声产生的容量大于手指接触所产生的电容增加量，就会发生由于噪声的干扰，即使无触摸动作，判定结果却为ON的误判。因此，需要按照一定的规则对SCF驱动脉冲执行180°相移，通过反转驱动脉冲和噪声的同步关系，平衡因噪声造成的电流量增减。多项式计算器的次数和频率，可以通过CTSU的寄存器调整。

此外，位移对策不仅可以抑制同频率的噪声，对频率为驱动脉冲频率奇数倍的噪声同样有效。

图.6  同周期噪声的影响和180°相移对同周期噪声的平衡化

噪声频率是SCF驱动脉冲频率的整数倍时，驱动脉冲的边沿会和噪声同步，对静电电容的测量造成影响。对于如图7所示的噪声，可以利用和驱动脉冲非同步的信号对SCF驱动脉冲的边沿做归一化处理，扩展边沿频率。如前所述，将调制后的电流输入到ICO for spread spectrum产生归一化所用的脉冲，可以避免SCF驱动脉冲与噪声同步（参考图8）。

图.7  SCF驱动脉冲和倍频噪声的示例

图.8  通过扩展时钟对SCF驱动脉冲归一化

软件对策

CTSU内置的抗干扰电路无法消除数kHz以下的低频噪声。数kHz频域的低频噪声需要通过软件方法消除。以下举例说明抑制低频噪声的软件对策。

触摸检测的结果会受到温度、湿度、材料老化等环境变化的影响。这些频率为数kHz以下的缓慢变化，很难通过硬件处理。因此，需要通过软件积分的方法抑制这些低频噪声的干扰。

漂移校正的工作原理如图9所示。如前所述，基准值以及在其基础上生成的ON/OFF阈值是由软件计算生成的。计测值和生成的阈值逐次比较，进而判定触摸或非触摸（ON/OFF）。计测值积分运算后的结果取平均值作为基准值，可以平缓环境变化对计测值造成的变动。变更积分运算所用的计测值的个数，可以调整对环境变化的适应性。

此外，当判定结果为ON时，暂停漂移校正处理；当后续的判定结果出现OFF时，再重启漂移校正处理。如果判定为ON时继续执行漂移校正处理，长时间的触摸动作会造成基准值逐渐接近计测值，并最终等于计测值。这时，会出现结果为OFF的误判。因此，当判定结果为ON时，要暂停漂移校正处理，防止结果误判。

图.9  漂移校正处理

为了抑制随机噪声对计测值的干扰，软件中增加了对计测值进行平滑处理的软件滤波器。以下通过实例对软件滤波器进行说明。

(1)       平滑滤波器

平滑滤波器的实例，如图10所示。在本例中，使用本次计测值及前3次计测值（共计4次）的平均值作为本次检测的计测值。通过调整计算平均值所用的计测值的个数，可以抑制不同频率的噪声。例如，计测周期 = 20ms时，为了抑制10Hz的噪声（噪声周期 = 100ms），需要使用5个以上的计测值来计算平均值。需要注意的是，用于计算平均值的计测值个数越多，触摸键的反应速度越慢。

图.10  平滑滤波器的示例

(2)       上限滤波器

上限滤波器首先比较本次计测值和前次计测值。如果二者的差值大于预先设定的差值上限，则将前次计测值与差值上限之和作为本次的计测值。当系统中出现爆发式噪声时，计测值会出现剧烈的变化。使用上限滤波器，能够实现平稳计测值的作用。通过限制计测值的急剧增减，抑制因噪声造成的触摸/非触摸的误判。由于上限滤波器削减了噪声的峰值，因此在抑制噪声方面，比前面介绍的平滑滤波器更为有效。但同样需要注意的是，设定时缩小差值的上限/下限，会增加触摸检测的时间，从而降低触摸键的反应速度。

和机械触点型开关相同，使用触摸键有时也需要消除抖颤。以下说明消除抖颤的对策。

(1)       N次一致法

判断触摸键ON→OFF、OFF→ON的状态变化时，如果连续N次的判断结果均一致，即N次的判断结果均为ON或均为OFF时，判定为ON或者OFF。增加连续一致的次数N，可强化抑制抖颤的效果，但会降低触摸键的反应速度。

(2)       多数一致法

累计一定时间内的ON或者OFF的次数，将次数多者作为本次的判断结果。和上述的N次一致法相比，多数一致法的判断速度更快，但去抖颤能力相对较低。

利用静电电容式触摸检测技术，可以减少机械部件的使用，降低成本，并可灵活应用于各种面板上。电容式触摸技术在使用时需要特别注意抗干扰的处理。分别针对不同噪声干扰频段，结合使用硬件及软件抗干扰措施，可以有效提高静电电容式触摸检测系统的可靠性。

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