中心議題：
- 觸摸操作系統的優點和實現方式
- 電容式感應的工作原理介紹
- 接觸電容式感應接口電路設計分析
解決方案：
- 電容式感應的設計方案
- CapSense解決方案
電容式感應正在越來越多地應用于我們的日常生活。優雅時尚的電容式感應界面越來越廣泛地應用在便攜媒體播放器(PMP)、手機、計算機、POS終端和其它家用電子設備上，如今又開始廣泛應用于工業和醫學應用領域。
但到底什么是電容式感應呢?電容式感應是一種以觸摸操作為基礎的感應形式。作為傳統機械式按鈕和滑動觸頭的一種替代技術，電容式感應技術還可以用于設計觸摸屏、觸摸板和接近感應裝置。這項技術并不感應按鈕的具體狀態，而是用于檢測導電物體是否存在，許多情況下，用戶的手指就是這個導電物體。
觸摸操作系統的優點和實現方式
之所以采用觸摸操作系統，其原因有幾種。基本原因之一是為了獲得更高的可靠性和耐久性。例如，公共信息亭內的按鈕要承受大量不當的使用和頻繁的操作。機械式按鈕會很容易磨損并導致故障發生。而更換按鈕和修理機械式傳感器將會增加總系統成本。而使用觸摸操作系統時，系統更為耐用，從長期角度來說，能夠減少總成本。觸摸操作系統還可以擁有更多靈活性，因為它的按鈕可以用于多項功能。例如，在傳統的工業鍵盤上，機械式按鈕實際上只能執行單項功能，或者只能代表規定好的某個菜單選項。而在使用觸摸屏時，因為顯示可以連續改變，所以可以采用更多方式來設計界面。唯一的限制只是設計方案的需要而巳。同樣的道理，由于單個按鈕可以應用于多種用途，觸摸操作系統就能夠在更小的空間內擁有更多的功能。最后，觸摸操作系統與機械式按鈕相比的一個重要優點是：它可以改善最終用戶的體驗。基于觸摸操作的解決方案通常更為直觀易懂并且方便用戶使用。
觸摸操作系統可以采用多種不同方式來實現。其中包括采用電阻膜、紅外傳感器，甚至是表面聲波。我們有如此之多的備選方案，為何要采用電容式感應呢?首先，是靈敏度的問題。電容式感應能夠在感應到手指存在時啟用，而無需電阻膜所要求的觸摸筆或壓力。其次，是耐久性的問題。正如以前提到過的，由于基于觸摸的解決方案沒有機械運動部件，因此它比機械式按鈕和開關更為經久耐用。而在各種基于觸摸的解決方案中，電容傳感器擁有極其優秀的耐久性。紅外解決方案會受到表面污染物的不良影響，而電容式感應技術對環境因素具有較強的耐受性。最后，足靈活性的問題。由于電容式感應可以采用多種外覆層材料，并可以采用不同水平的分辨率和精確度，因此不會僅限于某些特定應用領域。電容式感應可以應用于消費類電子產品中，如移動手機、MP3播放器和數碼相機，也可以應用于工業或家用電器，如冼衣機或信息亭。
電容式感應的工作原理
那么，電容式感應的工作原埋是什么呢?下面的示意圖顯示了1個電容式感應按鈕的橫截面。如圖所示，在外覆層材料之下，存在導電的銅塊區域和導電的傳感器。在2個導電元件相互之間靠得很近時，就會產生一個電容值，本圖中標為Cp，這個電容值是由于傳感器墊板與接地板之間的耦合現象而形成的。Cp屬于寄生電容，典型數量級任10pF至300pF。傳感器與接地板靠近時也會形成一個邊緣電場，這個電場能夠穿透外覆層。基本上，人體組織也屬于導電體。將一根手指放存邊緣電場附近時，就會增加這個電容系統的導電表面面積。
但是，這個在圖中標為CF的附加手指電容值的數量級在0.1pF至10pF。雖然一根于指的存在會導致電容發生變化，但與寄生電容相比，該變化的幅度是相當小的。而傳感器的測得電容值稱為CX。在沒有手指存在的情況下，CX基本上等于CP。而在于指存在時，CX則為CP和CF的和。
圖1 手指電容值
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電容式感應的設計方案
在我們了解了電容式感應的工作原理后，如何開始設計某一特定產品的電容式感應界面呢?我們重點要考慮到設計方案的需要。這個產品將用在什么地方?使用環境嚴苛嗎?這項設計中最重要的因素是電池的使用時間還是產品的耐久性?不同的因素對設計方案的影響也各不相同。
根據正在設計的產品類型，功耗可能是關鍵因素，也可能不是關鍵因素。例如，在由電池供電的手持設備上，功耗具有極為重要的意義。而一種對整體平均功耗即電池使用時間進行控制的方式是設立3個不同的工作區域。一個工作區域是快速響應區，這個區域內的每個傳感器每200微秒掃描一次。系統會在按鈕和滑動觸摸處于連續操作狀態下進入這一區域。在操作很少或無操作時，系統可以進入一個慢速響應區，將掃描頻率減少到大約每100毫秒1次。最后，如果在很長時間內沒有操作，則系統可以進入深度休眠模式，從而節省電力。通過實現節能、慢速響應模式，在便攜手持設備每100秒掃描3個按鈕的情況下，系統的耗電量可以低于50μA的平均電流。
在當今的電子產品領域，噪聲也成為另-項重要的考慮因素。各類感應噪聲，諸如來自電力線路的噪聲，以及來自移動手機或日光燈的輻射噪聲，無時無刻不存在，所以必須加以考慮。為了進行有效防范，我們的目標是增加信噪比，并消除虛假觸摸響應。
在設計信噪比、耐久性、靜電放電抵抗力以及精確度時，所選擇的外覆層材料以及外覆層厚度具有很大的影響。而且，在考慮材料的類型和厚度時，必須根據產品的需要，在許多方面采取折衷方式。隨著外覆層材料厚度的增加，信號和噪聲兩方面均會減少。但是，外覆層材料越厚，則對于靜電放電的抵抗力就越強。人體的靜電電壓可以高達15 KV，而電容式感應系統的外覆層有助于避免集成電路在遭受此類靜電放電時發生永久性損壞。另一種解決方法是，使用一層聚酰亞胺(Kapton)帶，這種材料在需要超強靜電放電保護的應用中能夠發揮良好的作用。當然，外覆層越厚，也就越不容易破裂或者遭到破壞。
CapSense解決方案
一種能夠降低設計難度的理想方式是采用一種靈活的可編程電容式感應解決方案，這種方案還能夠通過調整以滿足設計需要。一項能夠達到該要求的可編程解決方案就是以PSOC混合信號陣列架構為基礎的賽普拉斯半導體公司的CapSense解決方案。CapSense在實現時采用了兩種觸摸感應方式，CapSense逐次逼近(CSA)和CapSense增量求和(CSD)，這兩種方式均經過了優化，因而能夠應對設計電容感應系統時所遇到的種種挑戰。CSA和CSD方式均在掃描之間定期更新動態基線，以減少環境變化帶來的影響。這樣，隨著具體設備的溫度的變化，基線也隨之進行調整。這種變化趨勢由基線進行自動追蹤，以抵消溫度和濕度變化帶來的影響。在這種方式下，可編程電容式感應解決方案能夠給設計者提供更大的有效設計區域，從而能夠滿足設計方案中多項因素的要求。
此外，通過聯合運用屏蔽電極和保護傳感器，并在電容式感應中采用CSD方法，可以讓設計方案真正達到防水的效果。這種觸摸方案提供了可靠的觸摸檢測功能，并能夠消除由于水滴和水流所導致的虛假檢測事件。屏蔽電極能夠減少水滴在物理層面上的影響，而防護傳感器能夠在邏輯電路層面上對決策邏輯操作進行復位。
CapSense器件受PSoC混合信號陣列產品的支持，因此能夠讓設計者在同一芯片上同時操作按鈕、滑動觸頭、觸摸屏、觸摸板和接近傳感器。CapSense還獲得了預先配置好固件的用戶模塊、參考代碼和校準工具的支持，讓電容式感應應用的設計工作變得快捷、輕松而高效。這種預先定義的固件開發工具包括器件互連、I／O驅動模式和API。在PSoC Designer和PSoC Express開發工具中，只需點擊幾次鼠標即可創建上述工具。參考代碼提供具有基本功能的起點，而PSoC解決方案所采用的開源格式可以實現對任意項目的定制和優化。校準工具能夠通過對電容輸入進行實時反饋而提高開發工作的速度。通過校準工具，用戶可以調整參數、增加靈敏度，并可以逐個校準傳感器。
PSoC器件并不僅僅具備電容傳感器功能。它所擁有的模擬和數字資源還具有各種其它用途。所有PSoC器件產品均擁有基本的數字電路控制功能。通過配置，PSoC可以驅動LED、控制簡單的8位脈沖寬度調制器，并能通過I2C、SPI或其它通信協議進行通信。功能更強的器件產品還擁有更多的數字電路功能和基本的模擬電路功能。同一個PSoC器件既可以配置成電容傳感器，也可以配置成溫度計或電壓監測器。
PSoC混合信號陣列產品屬于一種可配置陣列產品，擁有數字和模擬資源、閃存和RAM、一個8位微控制器，并具有一些其它功能。這些功能讓PSoC能夠在自己的CapSense產品組合內實現各種創新性的電容感應技術。采用PSoC直觀易懂的開發環境可以對器件進行配置和重新配置，以滿足設計規格和規格變更的要求。這些新型感應技術表現出了更高的靈敏度和更強的抗擾性，功耗更低，更新速度更快。
