第29章

CTSU——電容按鍵檢測

29.1

電容按鍵介紹

電容式感應(yīng)觸摸按鍵可以穿透絕緣材料外殼8mm （玻璃、塑料等等）以上，準(zhǔn)確無誤地偵測到手指的有效觸摸。并保證了產(chǎn)品的靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性等不會因環(huán)境條件的改變或長期使用而發(fā)生變化，并具有防水和強(qiáng)抗干擾能力。

瑞薩的芯片內(nèi)部集成高分辨率觸摸檢測模塊CTSU和專用信號處理電路，以保證芯片對環(huán)境變化具有靈敏的自動識別和跟蹤功能。芯片還必須滿足用戶在復(fù)雜應(yīng)用中對穩(wěn)定性、靈敏度、功耗、響應(yīng)速度、防水等方面的高體驗要求。電容式觸摸按鍵控制芯片通常廣泛適用于遙控器、燈具調(diào)光、各類開關(guān)以及車載、小家電和家用電器控制界面等應(yīng)用中。在芯片應(yīng)用的開發(fā)過程非常簡單，可以最大限度的降低方案成本。

29.2

電容按鍵原理

電容器（簡稱為電容）就是可以容納電荷的器件，兩個金屬塊中間隔一層絕緣體就可以構(gòu)成一個最簡單的電容。如圖29_1（俯視圖），有兩個金屬片，之間有一個絕緣介質(zhì)，這樣就構(gòu)成了一個電容。這樣一個電容在電路板上非常容易實現(xiàn)，一般設(shè)計四周的銅片與電路板地信號連通，這樣一種結(jié)構(gòu)就是電容按鍵的模型。當(dāng)電路板形狀固定之后，該電容的容量也是相對穩(wěn)定的。

圖29?1 片狀電容器

電路板制作時都會在表面上覆蓋一層絕緣層，用于防腐蝕和絕緣，所以實際電路板設(shè)計時情況如圖29_2。電路板最上層是絕緣材料，下面一層是導(dǎo)電銅箔，我們根據(jù)電路走線情況設(shè)計并決定銅箔的形狀，再下面一層一般是FR-4板材。金屬感應(yīng)片與地信號之間有絕緣材料隔著，整個可以等效為一個電容Cx。一般在設(shè)計時候，把金屬感應(yīng)片設(shè)計成方便手指觸摸大小。

圖29?2 無手指觸摸情況

在電路板未上電時，可以認(rèn)為電容Cx是沒有電荷的，在上電時，在電阻作用下，電容Cx就會有一個充電過程，直到電容充滿，即Vc電壓值為3.3V，這個充電過程的時間長短受到電阻R阻值和電容Cx容值的直接影響。但是在我們選擇合適電阻R并焊接固定到電路板上后，這個充電時間就基本上不會變了，因為此時電阻R已經(jīng)是固定的，電容Cx在無外界明顯干擾情況下基本上也是保持不變的。

現(xiàn)在，我們來看看當(dāng)我們用手指觸摸時會是怎樣一個情況？如圖29_3，當(dāng)我們用手指觸摸時，金屬感應(yīng)片除了與地信號形成一個等效電容Cx外，還會與手指形成一個Cs等效電容。

圖29?3 有手指觸摸情況

此時整個電容按鍵可以容納的電荷數(shù)量就比沒有手指觸摸時要多了，可以看成是Cx和Cs疊加的效果。在相同的電阻R情況下，因為電容容值增大了，導(dǎo)致需要更長的充電時間。也就是這個充電時間變長使得我們區(qū)分有無手指觸摸，也就是電容按鍵是否被按下。

現(xiàn)在最主要的任務(wù)就是測量充電時間。充電過程可以看出是一個信號從低電平變成高電平的過程，現(xiàn)在就是要求出這個變化過程的時間。我們可以利用定時器輸入捕獲功能計算充電時間，即設(shè)置TIMx_CH為定時器輸入捕獲模式通道。這樣先測量得到無觸摸時的充電時間作為比較基準(zhǔn)，然后再定時循環(huán)測量充電時間與無觸摸時的充電時間作比較，如果超過一定的閾值就認(rèn)為是有手指觸摸。

圖29_4為Vc跟隨時間變化情況，可以看出在無觸摸情況下，電壓變化較快；而在有觸摸時，總的電容量增大了，電壓變化緩慢一些。

圖29?4 Vc 電壓與充電時間關(guān)系

為測量充電時間，我們需要設(shè)置定時器輸入捕獲功能為上升沿觸發(fā)，圖29_4中VH就是被觸發(fā)上升沿的電壓值，也是RA6M5認(rèn)為是高電平的最低電壓值，大約為1.8V。t1和t2可以通過定時器捕獲/比較寄存器獲取得到。

不過，在測量充電時間之前，我們必須想辦法制作這個充電過程。之前的分析是在電路板上電時會有充電過程，現(xiàn)在我們要求在程序運(yùn)行中循環(huán)檢測按鍵，所以必須可以控制充電過程的生成。我們可以控制TIMx_CH引腳作為普通的GPIO使用，使其輸出一小段時間的低電平，為電容Cx放電，即Vc為0V。當(dāng)我們重新配置TIMx_CH為輸入捕獲時電容Cx在電阻R的作用下就可以產(chǎn)生充電過程。