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容性触摸传感器受青睐
内容导读:

  要 点
  电容性触摸传感器挑战开关与电阻触摸板。
  现有的 IC 展示出各种不同的检测方法。
  3D 检测场拓宽了应用机会。
  电荷传送技术减少了检测板的数量。
  评估套件加快了对牢靠性和易用性的评测。

  电容接近传感器体现的是今天IC技术允诺表达的老概念:供应厂商们将传统的模拟技术与现在最佳数字技术相结合,争先恐后地争取汽车、消费者和工业领域的新市场。


  随着电子工程师们努力将更多功能嵌入体积和功耗越来越小的产品中,产品设计者们面临着一个更大但同样不变的图像。无论是在董事会房间还是消费产品媒体中都流行着一个观点,即最终促成产品销售的是漂亮的包装和智能的用户界面,而不是其中的硬件。在汽车业中也有类似的情况,尽管技术很复杂,最终产品的价值也很高。例如,Osram 最近因自己提供按需色彩的 LED (图)赢得了 2006 PACE(汽车供应商卓越贡献,www.trcpg.com/pace.htm)创新奖,它使汽车制造商有机会定制汽车颜色,从而将自己的产品与其竞争者的产品区别开来。这是一种简单的销售策略。同时,汽车供应厂商的最高优先级经常是提供尽可能简单而强大的用户界面,而不是绝对地可靠。


  这些应用(也包括其它难以尽数的应用)都依赖两个主要元素:开关与显示。显示和使能技术,如有机LED即 OLED,吸引着大众的注意力,而慢速的开关配件则经常遭到忽视。但这种技术也在发展中,新一代电容性触摸传感器使设计者有充分理由重新考虑开关面板的选择。过去,在灵敏度和稳定度方面很难设计,也不可靠,但今天的触摸开关比机电开关更便宜也更可靠。另外,选择的触摸开关或触摸板需要定制制造的日子一去不复返了,因为不断发展的各种电容性检测 IC 使一次性设计也承担得起。重要的是,这种发展使产品设计者有机会实现设备的差异化,使电气工程师具备了拥有自己设计的好处。那么,这些新部件好在哪里?它们的设计如何方便?

  受俄罗斯政府资助研究的接近传感器产品 Theremin传感器 是 Leonard Theremin 在 1919 年发明的,这可能是第一种进入商用的电容性传感器。该装置可探测一位音乐家的手与一对天线之间的距离,调制两台外差式振荡器的频率和波幅,从而构成了世界上首台电子音乐合成器的心脏。接下来在 1972 年,设计师 David Cockerell 在电子音乐工作室制作了 KS 键盘,作为该公司压控合成器产品中的定序器(参考文献 1)。这种有趣的装置有一个 30 音符的触敏键盘,其输入依赖于两只 74150 16 选 1 线路复用器的 TTL 特性。设备扫描键盘,从一个 4位二进制波动振荡计数器获得时钟输入。一个网络将输入偏置给复用器,将它们保持在接近开关阈值处,当手指按压时即会超过此阈值。此时,相应的数据选择器输出为低,锁住 4 位码和复用器的标识,从而建立一个 5位的重现键位的地址。

  并联场检测物体

  也许比较出人意料,今天,Analog Devices、Cypress Semiconductor、Freescale Semiconductor和 Quantum 研究集团公司也同样展示了不同的检测方案。这些厂商还提供评估套件,便于对设计的简便性和相对复杂性以及技术的牢靠性作出比较(见附文2“盒中有什么?”)。这里,“牢靠性”是指在各种使用情况与环境下能够可靠地确定按键信息的能力。任何触摸传感器都有一个背景电容、一个信号电平,或者是其环境与一个超过这个阈值传感器就会记录按键事件的高电平的乘积。移动设备展现出更大的挑战。移动设备可能这一分钟处在自由空间,而下一分钟,用户就可能把它放在一台 PC、手机或其它电子设备旁边,它们会以各种场强发射不可预测的频率(见附文1“不要在家中尝试!”)。静电泄放是另一个潜在的误触发源,水和其它污物也会引起类似的问题。为克服这样那样的问题,例如随温度和时间的漂移,触摸传感器 IC 通常嵌入了逻辑和模拟子系统,对系统进行不断校准。通过特征化每个通道,这种技术还可以适应与用户指纹和按键形式完全不同的键盘,从而改进检测率和产品设计者的选项。

  以 Analog Devices 的 AD7142新产品为例,可以看清楚这个问题,并且适用于现有的任何其它芯片。AD7142 的基本单价为 1.65 美元(批量1000片),它将用于数字转换器的14 个电容至数字转换通道封装在一个 32 焊盘、5mm×5mm 的无引线 CSP(芯片级封装)中。该器件的一个主要特性是具有自校准能力,这对移动电子目标市场是必不可少的。传感器工作时产生一个240 kHz 方波信号,驱动每个按键的电极,建立一个供配对电极评测的电场。开关阵列将接收器的电极信号

多路复用到一个 16位δ-ΔADC 上,完成电容至数字信号的转换。当一根手指或其它导体与相应键的背景电容并联时,使 ADC 输出码发生变化;当这个变化超出可编程的阈值时,传感器就寄存一次按键(图 1)。


  AD7142 的每个通道都有自己的结果寄存器,主机可通过 SPI 或 I2C 接口读取。当信号超出一个传感器的阈值水平,完成一个转换序列,以及在器件的通用 I/O脚检测到一个事件时,芯片都可以产生中断。在测量水平上,在一个配置寄存器中,每个输入通道都有自己的2位场,用于确定如何连接到CDC(电容/数字转换器)块。各个选项是:无连接;连接到 CDC正输入或负输入;连接到驱动外部屏蔽导体的偏置线路。这种方式具备支持不同类型传感器的灵活性。例如,一个按键可能连接到一个CDC 输入,或两个按键可能以差分方式连接到两个输入端。两种选项都需要一级电容/数字转换,以解析按下的单个键;按差分形式的两个键则会一个也识别不出来。滑动条需要差分连接和两个转换级,第一级检测传感器的激活,即物体的接近;第二级则用于解析出相对位置。芯片的定序器对每个测量序列支持多达 12 级转换,你可以在转换次数和采样块的速率之间作出均衡,以优化性能。ADI 建议将整个转换序列的时间设为 35 ms ~ 40 ms。

  接近检测功能对于芯片内部再校准例程的拖延很重要,这个例程会在每次转换序列后运行,评估背景电容的变化。设计者用寄存器调整芯片满功率和低功率工作模式下的校准拖延时间,以防用户的手指在键上停留时间过长而禁止校准例程。用户手指在面板上留下的潮气会产生这种停留效果,所以强制作重新校准可以帮助传感器保持最佳的检测性能。芯片的自适应阈值与灵敏度算法不断监控着每个传感器的输出电平,自动调整阈值水平以补偿传感器区域由于像不同大小的手指这样的因素产生的变化。

  所有电容性传感器都会在器件用于支持检测技术的功率大小、按键刷新的频率、以及总体功率预算等之间进行一些折衷。AD7142提供满功率、低功率和器件关断工作模式。在满功率模式下,器件的所有部分都接通,并以恒定速率不断地完成转换和重新校准工作。低功率模式会降低转换频率,例如每400ms一次,直到检测到一个键按下为止,然后回复到40ms的序列(这些时序都是可编程的)。同时,一个接近计数器倒计数,如果没有发生其它按键情况,则传感器再回到 400ms的周期。对于这些时序,低功率模式将芯片的总功耗从1mA降低到大约平均50mA的水平。关断模式可将静态电流降低至约2mA。

  3D成像

  Freescale 的产品专家 Brad Stewart 解释了该公司的 MC33794 电场传感器,它有多达九个检测电极和两个基准电极,适用于挑战性的汽车应用,如需要大面积 3D 成像的座椅传感器,以优化针对不同乘员和座椅位置的气囊部署。MC33794 的基价为 2.22 美元(批量1000片),这种 54 脚 SOIC 封装的器件在采用同轴电缆连接到远程的检测板时,它带有一种有源屏蔽驱动器,对电容效应作补偿。重要的内部节点(如检测信号电平)可以从器件管脚连接到微控制器的模拟输入端获得,以供测量和作校正。一个 ISO-9141 物理层接口简化了与这个 10.4 kbps、UART 总线的连接,后者是法律规定北美车辆必须支持的三种车载诊断通信结构之一。

  MC33794通过一个22kΩ电阻,在传感器电极上施加一个5Vp-p、120 kHz 的正弦波,构成分压器的一半;传感器电极和地构成另一半。选择相对较低频率的正弦波可以尽量减小 EMC 问题,避免与多数美国汽车上配备的 AM 收音机相干扰。同步解调器、整流器和低通滤波器对由目标因并联大部分驱动信号接地而产生的信号电平作平滑处理。

  电极之间的电容值与电极的面积和隔离材料的介电常数成正比,而与相互间的距离成反比:C=(keOA)/d,其中 k 是材料的介电常数,eO 是自由空间的介电常数,A 是平方米为单位的极面积,而 d 是以米为单位的两者间距离。Stewart 指出这个关系式适合于各种检测应用,如门的开/关检测,以及旋转滚桶中的不平衡补偿。他说:“由于电极间的电容与距离成反比,我们的传感器找到了一个修正衣服干洗机和其它家电摇摆的新市场。”他称设计者会把电极设计看作某种魔术,而现实并非这么简单:“我们建议在标准FR4板上每个键占10mm×10mm 面积”(参考文献2)。自动制冰机和冰箱化冻系统也是潜在的应用,此外还有检测液位,甚至检测电热炉飞溅出的内容(图2)。


  新型 MC34940 面向消费和一般工业应用,它去掉了那些汽车专用的特性,在 24 脚的宽体 SOIC 封装中包含 7 个电极和一个屏蔽。这种结构可以用到多达 2

8 个触摸传感器。Freescale 提供 C 代码的驱动程序,可实现滑动条、邻键抑制以及定期重新校准等功能,并有一个运行在 CodeWarrior IDE(集成开发环境)下的项目环境,以配合各种微控制器,包括该公司新推出的基于 S08内核的组合产品。DEMO1985MC34940E 开发工具采用 68HC908QY4 微控制器提供智能,包括嵌入式代码采样以及在 PC 上运行VisualBasic的预Net版编写的一个应用程序,使程序员能够根据要求修改代码。该工具包现可提供,价格为 57.65 美元,MC34940 的价格为 2.12 美元(批量1000片)。

  扫描板

  Cypress 的 CapSense 产品采用了不同的检测技术。它的 CY8C21x34 和 CY8C24x94 建立在该公司 PSoC(可编程单片系统)混合信号微控制器上,可实现张弛振荡器。在这种结构中,传感器与地之间的电容构成一个锯齿波发生器。一个恒流源为电容器充电,直到其电压上升到一个阈值,于是一个开关使电容器放电,重复循环(图 3)。由于电容及其充电电流决定了振荡器的频率,电路通过测量伴随电容增加而引起的频率差来检测是否存在用户的手指。Cypress 公布了一系列应用的说明,涵盖了这种类型传感器的工作原理以及最适合的面板布局。


  CY8C21x34有四种封装选项,从16脚的SOIC到5mm×5mm MLF,它有 8 kB闪存、512B RAM 以及I2C和SPI端口。CY8C24x94使用56脚8mm×8mm MLF 封装,具有16kB闪存、1kB RAM、一个SPI、一个全速 USB 端口。这些器件的基本价格从 1.90 美元至 2.85 美元不等(批量1000片)。Cypress的 CapSense 产品营销经理 Steven Berry 注意到,该公司的 PSoC 器件与普通的微控制器有所不同,它组合了多种模拟块,用于补充一个可配置的数字内核。他说:“核心是一个状态机,用户可以简单地设置寄存器就能增加功能块,如 UART 和定时器”。同样,该技术支持包含连续定时器件的模拟功能块,如运放、比较器和寄存器阵列,以及建立滤波器、ADC 和 DAC 的开关电容电路。PSoC Designer 套件中有一个平面规划工具,提供一种连接可视化的方法。Berry 称:“PSoC Designer 是抽象的一个进步,使用户能考虑到印制电路板上各模块间的连接问题。”每个模块都有一个描述电气规格与建议设计策略的数据表。开发环境提供驱动程序和 API(应用编程接口),包括寄存器设置和使用 C 语言或汇编语言的功能调用。对很多小系统尤其重要的是,嵌入式微控制器可以实现单片系统。

  在应用层面上,Berry 同意手持设备是最大的挑战,因为它们有不可预测的环境。作为补偿,设计者可以用一个 API 定期运行一个校正算法,更新每个电极的基础电平寄存器。你可以同时设定噪声阈值和检测阈值,对经历频率环境变化的系统作连续的软件校正。你还可以通过调整检测算法以适应传感器类型和材料重叠,对器件的功耗和检测灵敏度作出平衡。Berry 指出,虽然恒流源方案拒绝电压的变化,但该公司正致力于一种温度补偿的专利方法,用于保持电流源的精度。未来部件将提供板载的线性稳压器和实现更低的功耗。Cypress 还在研究硅片的新技术,以降低对噪声和其它干扰(如 ESD事件)的敏感性。

  解决水的问题

  英国无晶圆芯片设计企业Quantum研究集团公司以触摸传感器为其专业市场,提供各种采用电荷传送技术的IC,使自己区别于其它通用器件厂商。该公司的创始人和管理总监Hal Philipp解释说,在自由空间中,人体对地有大约100pF ~ 300pF的电容,一只手指只有数pF。为满足家用电器这类设备的需求(家用电器是该公司最大的市场之一),任何电容性检测技术都必须能在有水和其它污物的情况下解析到这种水平,例如在电热炉或其它应用表面附着的脏物和油污等。

  Philipp 将 Larry Baxter 的经典文章作为电容性检测机制的最佳说明(参考文献 3),他解释了 Quantum 根据电荷守恒原理的 QT(电荷传送)机制:“我们的 QT 传感器基本上是一只微控制器,它编程为一个未知电容的检测板充电到某个确定的电势。检测板可以是任何导体,包括印制电路板焊盘到一个显示屏表面覆盖的光学透明铟锡氧化层区。”经过一个或多个充电/传送周期后,测量板上的电荷,芯片就可以确定检测板的电容,当一只手指这样的物体打乱了检测板上的电荷时,就可以作检测了。Philipp 强调要用一个低阻源来检测电极,然后对窄带脉冲采样,以保证即使有大量湿气情

况下也能可靠的进行手指检测。他评论说:“从电气导纳的角度看,水膜在低频下有更强的干扰效应,因为薄膜自身及其周围环境承载的电容形成了 2D RC 网络。”

  Quantium 用一个扩频、脉冲串模式技术通过切换 VCC 到检测电极精制了这个模型。在脉冲串之间随机的电荷脉冲以及插入长延时可减少 EMC 问题,进一步提升牢靠性。单个脉冲可以短至脉冲串内部脉冲间隔的 5% 以下,从而也降低了功耗和传感器间的干扰。Philipp 说:“大多数噪声源影响电容性传感器要么是单调的,要么带宽很窄。”该公司的传感器通常使用约 100 kHz 的采样频率,但有些器件的有效频率为 10 MHz 以上,采样时间在 100 ns 量级。结果,成为可以通过 50 mm 厚玻璃或较低电介常数材料解析目标的一种传感器。例如,普通玻璃的值约为 7.8,FR4 玻璃纤维约为5.2,多数塑料大约是 2.7(参考文献 4)。尤其是,该技术的灵敏度适合于替代电阻性触摸屏,传统的电阻性触摸屏需要两层电阻性材料,会影响光的透射。

  为防止短暂的无意触摸、物体接近或出现ESD事件造成的假触发,要求系统检测一系列成功的采样,然后才记录一次触摸。信号处理逻辑亦可实现邻键抑制,即采用反复测量每个键信号强度的迭代技术。它通过判断最大信号强度变化的区域,确定用户真正的选择。当选择的键信号保持在阈值水平以上时,传感器就会忽略邻近的其它键。

  该公司所有芯片都能实现自动漂移补偿机制,Philipp 称这足以在微波炉面板等应用中保持检测性能,这类应用的温度转换速率在 1℃/s 以上。当没有人触摸传感器时,一个算法会定期评估每个输入的基线信号水平,调整检测阈值,以保持恒定的灵敏度。根据不同类型的 QT 器件,设计者可以用基准电容器或软件设定阈值水平。Philipp 说:“尽管需要保证可靠检测的信号变化随时间的变化并不显著,但基线水平的变化相当大。”

  一系列 IC 分别适用于单键或多键、阵列键盘、触摸滑动条和滑轮、触摸屏,以及上述类型的组合。QT118H 单键传感器可以验证这些产品共有的很多特性,它的检测能透过厚达 100 mm 的玻璃,在 3.3V 电源下只耗电约 12mA。该芯片包含复用逻辑和 14位分辨率的开关式电容器ADC,这种ADC能连续产生脉冲和测量传感器电荷水平,瞬间完成重新校正。一只电容器用于设定器件的灵敏度。电荷传送采样周期为2ms,脉冲突发时间从 0.5 ms ~ 7 ms 之间变化,间隔约为95 ms。一致性逻辑电路要求用四个相同的有源采样寄存一个按键事件,作为一个去抖动滤波器。因此,在初期检测时,芯片可以将突发脉冲间隔降低到20 ms,产生的平均响应时间约为95 ms。芯片有两个选项脚,可将输出脚配置为:10秒或60秒周期的低有效信号;一个10秒长的转换输出;或者对每次新的检测产生一个 75 ms 的低有效脉冲。一个大约350ms 的三态“心跳”脉冲叠加在所有输出类型上,表示传感器工作正常。Digi-Key和Farnell InOne等目录供应商供应的品种都很多,QT118H价格不到1 美元(批量1000片),为8脚SOIC或 DIP封装,现有评估板,价格为19.95 美元。

  QT411 和 QT511 分别适用于线性滑杆和触摸轮,采用三电极段建立一个位置检测的触摸区。例如,QT511 可以只用通常建立在 FR4 基材上的三条弧形交错金属(图 4)。虽然现在的印制电路板布局(如 Pulsonix 的产品)都带有极地栅格,便于布放 18 电极的放射图案,但 Philipp 认为新的结构对大多数电路板设计软件提出了挑战:“我们的 CAD 技师用 CorelDraw 建立图案,然后将 DXF 格式的文件输入到我们的印制电路板设计环境中。”三条检测线连接到这个新结构上,在电极之间还内插芯片的逻辑电路,以解析出 128 个分立的位置。三只基准电容器设定了电路的灵敏度,电容值取决于板材的厚度和介电常数,器件通过 SPI 端口输出一个 7位的数。主微控制器设定采样时序和工作参数,如优化交流线干扰抑制的同步模式。QT511 的价格大约为 1.5 美元(批量10,000片), 14 脚 SOIC封装。


  Quantum 的多键传感器可为每个键单独设定灵敏度,因而使产品设计者在使用不同尺寸和形状键时拥有了最大的灵活性。它还能用定制的微控制器内核,提供进一步的灵活性,公司可以对其作修改,满足单片小系统应用的要求,例如食品搅拌机。Philipp 总结说:“QT 技术有数十个动态范围,与传统的电容性传感器不同的是,QT 传感器无需线圈、振荡器、射频元件、

特殊电缆、RC 网络以及大量分立元器件。”

参考文献
1.www.hinton-instruments.co.uk/ems/ks.gif.
2."Touch Panel Applications Using MC34940/MC33794 E-Field ICs," Freescale Semiconductor ApplicationNote,AN1985,April 2006,
www.freescale.com/files/analog/doc/app_note/AN1985.pdf.
3.Baxter, Larry K, Capacitive sensors: Design and Applications, John Wiley, 1996, ISBN 078035351X.
4."Secrets of a Successful QTouch Design," Application Note AN-KD02, Quantum Research Group, August2005,
www.channel-microelectronic.de/ch_html_de/halbleiter/sensor-ics/notes/pdf/an-kd02_102-touch_secrets.pdf.


  附文1: 不要在家中尝试!

  你可能想知道,在有潜在干扰的情况下,触摸传感器技术会如何表现出自己的牢靠性。考虑一下实验室建议的几个来源—虽然算不上是科学实验—但它们都会仿真来自任何敏感器件的不稳定响应。这些来源包括采用相位控制、驱动一只 100W 白炽灯泡的调光器、一把 400W 电钻、一台 21 英寸 CRT 显示器、一台 10 dBm 输出功率的 433 MHz ISM(工业/科学/医疗)频段发射机,以及一对 900 MHz 和 1800 MHz GSM(全球移动通信系统)手机。

  显示器去磁以及在相应传感器组件 10 mm 内打开手机都会暂时增大这些源的电磁场。在所有的电子设备中,电钻的问题最严重,它从 70 年代以来就没什么变化,为了能在手持工具的小外壳中获得最大扭矩,它使用了电刷式变速交流电机。它的低频率 RF 干扰特性也会影响到敏感的传感器,因为它们的工作频率通常也处在数百 kHz 范围内。

  事实上,Analog Devices 的 Scrollwheel-3 在接近三端双向可控硅开关调光器时会变得混乱,不能解析出手指的按压,需要一个上电周期来恢复正常运行。同样,Cypress 的 CY3212 CapSense 板也会失去对按键+滑动条例程的控制,但单独的按键与滑动条例程仍能正确识别一个手指,即使将交流电源开关导体直接放在面板上。Quantum QT106 能在约 10 mm 时检测到主线的接近,但也会显示相当明显的输出码抖动。使电钻停留在离面板数毫米的位置,并不断的开启和停止它的电机,很快就会毁坏 Cypress 的电路板,但 ADI 和 Quantum 的产品却能承受这种严重的刺激。

  为做比较,将 QT401电路板到处移动,如单独靠近 CRT 的表面,它在那里记录了一次有效的按键,它不断地出现信号错误,需要作软件重起动,估计是要作芯片基线信号校正的复位。同样的情况也发生在 ADI电路板上,它无法正确识别自己的传感器区,需要上电循环来纠正。但这些动作都不会影响 Cypress 板,即使是运行它的按键+滑动条例程,以及用板子按压 CRT 的表面来对显示器去磁。这些板子都没有对任何射频源表现出不正常的状态,其中 Quantum 产品只是检测到了金属天线的接近,与其它物体没什么区别。

  Freescale的MC34940 e-field 传感器的开发工具包中包含了82mm×47mm 系统板、一块在 2mm透明 Perspex 下有 7 个电极的传感器板、RS-232 电缆和一张光盘。系统板上载有传感器 IC、主微控制器、电源和 RS-232 接口。16 脚的插头可以用该公司的 Mon08 接口对 68HC908 系列微控制器编程。运行的应用软件会显示一个水平条,它用来图示每个电极的信号水平。传感器检测每个通道或各通道的组合,因此用户软件也可以在各个通道间作插补,实现一个滑动条功能。屏幕显示表明,直接放在面板上的调光器接线和 CRT 会被看作一根手指的一半,而电钻则没有影响。同样,射频发射器也不会打搅它。


  附文2:盒中有什么?

  在花费时间检查各种电容触摸传感器技术以前,很多设计者会对该技术历史上出现过的重大弱点心存疑虑:缺乏牢靠性,以及难以设计。于是,厂商提供了各种评估板,帮助未来的用户自己对这些问题作出评估。各家厂商都慷慨地送来一些样品供我们检测。

  Analog Devices 的 Scrollwheel-3 是很多观展者熟悉的东西,它有一个 67mm×67mm×28mm ABS塑料盒,内含两块印制电路板。上面的主板载有一只ADuC841 微控制器、一只 Cypress CY7C68013A-56 微控制器、一个 3.3V 稳压器,以及一对时钟振荡器。下面的主板有一个 USB 瞬变电压抑制器芯片、一片用于 Cypress 芯片引导的 64 kB串行 E2PROM,以及一个六施密特触发器门。两个按键开关用于复位和程序输入,四脚插头作为 ADuC841 的发射器/接收器线,用于外部器件编程器。该公司的 Eval-AD7142 板上也有类似的硬件,它出现在 Web上, 价格为199美元,这个版本还提供不同尺寸的按键、两个64位线性滑动条,以及一个8通道开关。与它们相比,Scrollwheel演示装置就比较透明,一块板上是AD7142芯片,另一块是直径为27mm的传感器的印制电路板。两部分的互连是一根10芯扁平电缆。

  乍看起来,这个硬件似乎有些大材小用。实际上,Cypress 微控制器只完成 USB 接口功能,公司并不准备将其用于新设计。很多更简单、更廉价的替代方法能支持无接口微控制器的独立运行,如 FTDI 的芯片,它能在 USB 和 RS-232之间转换,便于任何 UART 的连接。ADuC841 通过一个 SPI 连接控制传感器芯片,并通过通用I/O与USB 接口芯片通信。系统的心脏是传感器芯片,最有趣的是传感器板。这种柔性的基材可将其检测区划分为八个相同尺寸的辐射扇区。ADI 解释说,虽然简单的按键传感器无需驱动软件,但摇把和滑动条需要主机上的例程在传感区间内插。公司估计,滑动条的代码大小约为3kB ROM和 500B RAM,建议采用 1 MIPS 以上的处理器。

  Scrollwheel 软件增加了一个 MP3 播放器应用程序,在免费下载的评估板软件包内。演示硬件在起动时下载此单个传感器应用程序,评估板装入按键和滑动条的演示例程。通用功能包括设定 AD7142 工作模式,以及检查和修改各个寄存器,软件连续报告电容/数字转换器的输出值。Scrollwheel 演示会表示出用户手指在八个检测区中的位置,以及 128 个可能的输出码。该应用程序会区分出手指的位置,以及在目标应用中可以是提示模式变化的手指轻敲。此演示还会以直方图形式显示传感器区的相对输出,画出总输出与时间线的关系图(图 A)。这些功能提供了一种评估改变芯片寄存器设置效果的方法。默认值表明有平滑和连续的响应,在邻近代码值之间有最小的抖动。


  Cypress公司的CY3212 CapSense培训工具包价格为89美元,它包括一块127mm×77mm的底板,板载一片 CY8C21001芯片,还有一个5V线性电源,一个蜂鸣器,以及7按键和一个线性滑动条的检测区。专用的 CY8C21001 可仿真所有的 CapSense PSoC(可编程单片系统),成为一个仿真端口。一对插头接至芯片的I2C端口,以及用于PSoC MiniProg编程器的编程线,另外还有一个连接至主PC的mini-USB电缆。RJ45 插座连接可选的ICE-Cube 在线仿真器,它是价格为599美元的 CY3215DK PSoC 开发工具包的关键部件。底板上可插入一个双行、16字符的LCD板,用于显示系统状态。

  该工具包带有一张光盘,内含PSoC Designer和PSoC Programmer的安装文件,以及支持文件和文档。与往常相同,最好先到网站上检查有没有更新与增加资料,网站上发布了一组八个新 CapSense 项目,以及由SP3更新到PSoC Designer4.2。在下载77MB压缩的更新文件以前,首先必须安装基础应用程序,更新文件会增加一个重要的 CapSense User Module。由于首次发布的工具包不包括第二张有培训资料的光盘,本测试使用了出现在网站上的 CapSense 项目。接下来需要做的是解压缩文件包,在 PSoC Designer 中运行感兴趣的 .SoC项目文件,并用 MiniProg 编程器下载到电路板上,它从主机的 USB 端口为 CY3212 板供电。

  或者,理论上说,当插入编程器时,Xp Pro会显示熟悉的“插入新硬件”消息,提示需要配置文件,安装程序存放在应用驱动程序子目录中。从PSoC Designer中运行任何例子都会无法编译,返回的消息是“Operation terminated. Compiler license invalid.”(运行终止。编译器许可无效。)此时,你会明白这些按键和

滑动条的实例需要145美元的C编译器,根据联机商店的信息,它现在缺货,要四至六周才能交付。还好,下载的Zip文件中各自输出的子目录中有预编译好的十六进制文件,可以尝试用“rebuild-all”命令编译C源码。有趣的是,PSoC Designer 承诺提供一个让程序员感到高兴的大型配套 IDE(集成开发环境)的全部功能,还有拖拽式块配置控制(图B)。


  用 MiniProg 将相关的按键、滑动条、以及按键+滑动条文件下载到电路板上,运行代码以确认硬件是可用的。虽然 LCD 会把可靠的按键行为报告为一个正常的手指测试,滑动条的实例却需要精确的手指位置才能返回准确的位置数据。首先,单纯滑动条的实例表现得比按键+滑动条例子有更快的响应,即使手指位于检测区的中心,似乎也可能要失去 LCD 的消息,有趣的是,这种响应似乎在随时间而改善。将手指放在印制电路板的另一侧不会检测到信号,所有情况下都需要正向接触,而不是检测是否靠近,这种特性在某些应用中是很有用的。虽然高层官员拒绝证实,但业界谣传说iconic iPod 的滚动界面采用了 PSoC 技术。

  Quantum 的 QT160 免除了对配置软件的要求,可通过厚达 100 mm 的玻璃板检测多达 6 个按键,这解释了它 75 美元的 E160 评估板的健全结构(图 C)。该芯片的目标是永久供电的室内环境,它需要外接一个 10 MHz振荡器,作为其逻辑的时钟,5 V 电源下典型耗电为 2.5 mA。演示工具包带有一个 9V 电池,这表明无需电源接地连接,电荷传送技术就可以可靠地工作。QT160 具备邻键抑制功能,配备有为各个通道设置灵敏度的寄存器,产生六个高电平有效的逻辑输出。它还支持一种触发开关模式,以及增加最大重新校正超时选项,以应付不寻常的长时间按键情况。邻键抑制功能是这个演示器特别明显的功能,它最多可允许三个并行检测。


  该公司的 E401演示滑动条组件同样不需要用户编程。该工具包价格为95美元,包括一个QT401器件,以及一个线性格式、18电极的印制电路板,电路板粘在一个ABS塑料板上。通过 FR4和ABS的总检测距离约为3 mm。一根10芯非屏蔽电缆将电路板连接到一个接口盒上,接口盒内包含一个 Microchip PIC16F873A 的 SPI-USB 转换器,以及一个 FTDI 的 FT232BM UART-USB 接口芯片(Quantum 通常包含另一个电缆与连接器组件,供用户构建自己的接口,还有一对备用的 QT401)。产品的光盘包含一个小型 PC 常驻例行程序,它会不断轮询电路板,返回手指位置。在超出轨迹中心 10 mm 以外(其它任何面板距离要短些)时,系统的接近检测能力让人印象深刻。当正向手指按压和默认设置值时,在其 128 点的输出范围内,最差情况下的响应抖动也只有一个点。

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来源:EDN电子设计技术 作者:David Marsh,EDN特约技术编辑 时间:2006/9/6 0:00:00
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