現(xiàn)在的電子產(chǎn)品中，觸摸感應(yīng)技術(shù)日益受到更多關(guān)注和應(yīng)用，并不斷有新的技術(shù)和IC面世。與此同時(shí)，高靈敏度的電容觸摸技術(shù)也在快速地發(fā)展起來(lái)，其主要應(yīng)用在電容觸摸屏和電容觸摸按鍵，但由于電容會(huì)受溫度、濕度或接地情況的不同而變化，故穩(wěn)定性較差，因而要求IC的抗噪性能要好，這樣才能保證穩(wěn)定正確的觸摸感應(yīng)。
針對(duì)市場(chǎng)的需求，來(lái)自美國(guó)的高效能模擬與混合信號(hào)IC創(chuàng)新廠(chǎng)商Silicon Laboratories（簡(jiǎn)稱(chēng)：Silicon Labs）公司特別推出了C8051F7XX和 C8051F8XX系列的MCU（單片機(jī)），專(zhuān)門(mén)針對(duì)電容觸摸感應(yīng)而設(shè)計(jì)，在抗噪性能和運(yùn)算速度上表現(xiàn)的非常突出。
一、Silicon Labs公司的電容觸摸系列MCU
目前Silicon Labs公司推出的C8051F7xx和C8051F8xx等電容觸摸系列MCU，以高信噪比高速度的特點(diǎn)在業(yè)界表現(xiàn)尤為出色。同時(shí)，靈活的I/O配置，給設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的方便。另外，由于該系列MCU內(nèi)部集成了特殊的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，所以能夠進(jìn)行高精度的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電容觸摸功能。
CDC的具體工作原理：
如圖1所示，IREF是一個(gè)內(nèi)部參考電流源，CREF是內(nèi)部集成的充電電容，ISENSOR屬于內(nèi)部集成的受控電流源，CSENSOR為外部電容傳感器的充電電容，由于人體的觸摸引起CSENSOR的變化，通過(guò)內(nèi)部調(diào)整過(guò)的ISENSOR對(duì)CSENSOR進(jìn)行瞬間的充電，在CSENSOR上產(chǎn)生一個(gè)電壓VSENSOR，然后相對(duì)內(nèi)部參考電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)共模差分放大器進(jìn)行放大；同理IC內(nèi)部的IREF對(duì)CREF充電后也產(chǎn)生一個(gè)參考電壓并相對(duì)同樣的VREF經(jīng)過(guò)差分放大，最后將2個(gè)放大后的信號(hào)通過(guò)SAR（逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器）式的ADC采樣算出ISENSOR的值。
圖1
Silicon Labs SAR式的ADC采樣可選擇12-16位的分辨率，如圖2所示，采用16位的分辨率進(jìn)行逐位比較采樣：首先從確定最高位第16位（IREF=0x8000）開(kāi)始，最高位的值取決于電容的充電速率，也就相當(dāng)于電流的大小，取電流IREF/2，比較VSENSOR和VREF：
VSENSOR > VREF 則 最高位 = 0 ；
VSENSOR < VREF 則 最高位 = 1 ；
隨后，SAR控制邏輯移至下一位，并將該位設(shè)置為高電平，進(jìn)行下一次比較：
如果第16位是1，則取下一個(gè)IREF=0xC000 ；
如果第16位是0，則取下一個(gè)IREF=0x4000.
這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到最低有效位(LSB)。上述操作結(jié)束后，也就完成了轉(zhuǎn)換，將算出的16位轉(zhuǎn)換結(jié)果儲(chǔ)存在寄存器內(nèi)。
圖2
利用此電容采集轉(zhuǎn)換功能，可用在電容觸摸屏或者觸摸按鍵上。比如，電容式觸摸屏的應(yīng)用（圖3所示）。一般自容式電容觸摸屏主要包括一層表面玻璃層，中間兩層行列交叉的ITO層（行列層之間間沒(méi)有短接），以及GND底層。每一行和列分別與MCU的采集輸入通道直接相連，當(dāng)手指觸摸到電容屏的表面玻璃層時(shí)，會(huì)引起某一行或列的ITO 塊的對(duì)地電容（如圖4）值變大，從而通過(guò)電容采樣以及特定的算法確定電容值發(fā)生一定變化的點(diǎn)（觸摸點(diǎn)）的位置（X,Y）,最后將觸摸點(diǎn)的位置上傳給主處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作功能。
圖3
圖4
目前Silicon Labs 的C8051F7XX觸摸屏功能主要是單點(diǎn)觸摸，但通過(guò)軟件算法可以實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)的手勢(shì)識(shí)別，比如縮放、旋轉(zhuǎn)等，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)水滴識(shí)別以及濕的手指觸摸正常劃線(xiàn)功能。
而觸摸按鍵的電容采樣原理一樣，只是每個(gè)采集輸入通道連接一個(gè)觸摸按鍵，MCU可以直接確定某個(gè)按鍵被觸摸然后進(jìn)行相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)，算法處理相對(duì)簡(jiǎn)單。