一种抗干扰的电容式触摸传感控制器设计

2024-04-03冯海英王芬芬刘梦影屈佳龙兰亚峰

电子与封装 2024年3期

冯海英，王芬芬，刘梦影，屈佳龙，兰亚峰

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

0 引言

近年来，触控技术被应用在越来越多的领域，电容式触摸传感控制器技术的发展也愈发迅速，电容式触摸按键已渗透到现代生产和生活中，如智能家电控制面板[1]、人机交互界面触摸屏[2]、触控平板[3]等。

触摸按键技术一般通过测量感应点电容上的电荷与电容值的变化明确是否存在触摸动作，根据原理的不同触摸按键可分为两类，分别为电阻式触摸按键[4]和电容式触摸按键[5]。触摸技术发展前期，大多数的应用采用电阻式触摸控制器，该控制器通过比较按键两端的电阻值来判断按键是否被触摸，如果阻值发生变化，根据该变化的阻值进行计算则会得到一个具有特殊编码的电流脉冲信号[6]。电容式触摸技术在电阻式触摸技术的基础上提升了响应速度和灵敏度，该技术通过测量电容值的变化来确定是否被触摸，手指会改变极板之间的介电常数[7]，从而产生触摸信号。

随着通信技术的发展，电容触摸按键对于电磁和雨水等干扰信号较为敏感[8]，因此，触摸传感控制器的抗干扰问题愈发受到人们的关注。赵宏涛[9]提高了电容式触摸按键对于电磁干扰和雨水干扰的抑制作用；陈坤[10]对电容式触摸进行了深度解析，设计了一款达到预期效果并满足应用需求的电容式触摸按键；田野等人[11]设计了一种简单的触摸按键电路，通过检测RC回路的充放电时间来判断有无按键被按下，该设计能够有效降低硬件成本。本文设计了一款抗干扰的电容式触摸传感控制器，该控制器不仅可以任意配置充电及电荷转移时序，具有较高的灵活性，而且具备扩展频谱功能，能够产生可变的充放电频率，这可以提高噪声环境下电荷迁移采集检测的稳定性，减少感应信号扩散。

1 电容式触摸传感器的原理

任意两个导体之间都存在感应电容，如果不改变周围环境，那么可认为该感应电容的数值是一个不变的微小数值。当有人体手指靠近触摸按键时，手指与大地构成的感应电容以及焊盘与大地构成的感应电容并联，会使总感应电容值增加[12]。在检测到按键的感应电容值发生改变后，控制器即可判定该按键被按下，随即输出相关确定信号。电量的变化都是微乎其微的，所以触摸传感控制器对各种干扰会更加敏感。

目前实现电容式触摸按键的两个主要方式是基于张弛振荡的原理和基于电阻的电容式充放电时间检测原理[13]。

1.1 基于张弛振荡原理的触摸传感器

张弛振荡电路如图1 所示，张弛电路通过控制电路对电容充放电，灵活性强，且其器件面积和成本较低[14]。该电路由一个比较器和外部电阻构成，其作用相当于一个连续充电和放电的张弛振荡器。当Cpo+的电压值高于Cpo-的电压值，比较器会输出高电平信号，电容开始充电[15]。分压电阻R1构成的分压网络使得Cpo+的电压变为1/3VDD，电容开始放电。

图1 张弛振荡电路

当电容放电后电压降低至1/3VDD以下，比较器输出高电平，电容再次充电，如此反复，从而构成了能够实现周期性充放电过程的张弛振荡器。该电路连接一个计数器，该计数器通过记录充放电周期可推算得到电容的变化。如果在固定时间内记录的周期数较标准值减少，则开关被压下。

1.2 基于电阻的电容充放电触摸传感器

基于电阻的电容充放电电路如图2 所示。触摸按键CTOUCH对电容Cg充电，计数器开始记录充电时间，充电过程中Cg两端的电压不断升高，直至超过检测门限电压，此时比较器输出发生翻转。当某一导体触摸到触摸按键CTOUCH时，Cg值变大，充电时长增加。通过比较充电时长，可判断是否有触摸按键被按下。

图2 基于电阻的电容充放电电路

2 抗干扰电容式触摸传感控制器的硬件设计

为了提高触摸传感器的抗干扰性能，同时降低成本，本文设计了一种抗干扰的电容式触摸按键控制器，该控制器包括触摸按键、电极电容Cx、采样电容Cs、防静电电阻Rx、电子元器件、计数器和寄存器[15]，抗干扰的电容式触摸按键控制器结构如图3 所示。触摸按键一端与电极电容相连并接地，另一端与Rx相连，而Rx的另一端同时与第一复位开关S1、充电开关S3、电荷转移开关S4 相连。S1 接地，S3 连接充电电源VDD，S4 则连接Cs、第二复位开关S2 和电子元器件，电子元器件输出至计数器，完成触摸过程的脉冲计数，并将数据存储至寄存器REG 中。电源VDD可对Cx进行充电，而Cx可向Cs转移电荷，直到两个电容的两端电压相等。当Cs的端电压达到比较器的参考电压Vref，计数器输出，完成单次检测。

图3 抗干扰的电容式触摸按键控制器结构

Cx充电和放电是电荷迁移的两个过程。电荷迁移采样是一种测量电容量的有效方法，利用单端电极、少量外围器件以及带有模拟功能的I/O 端口来完成。

表面电荷迁移模拟I/O 端口如图4 所示，每组I/O分为采样I/O 和通道I/O，每组仅允许一组采样I/O 打开，但通道I/O 可同时打开，也可以单独打开，其中G1_I/O2 为采样I/O，其他三个为通道I/O，通道I/O 连接电极，采样I/O 连接存储转移电荷的电容。

图4 表面电荷迁移模拟I/O 端口

电容充放电的过程一直重复，直到Cs电压达到给定的门限，重复的次数会被记录在指定的寄存器中，这个次数表示电极电容的电容量。若电极电容有变化（变大），存储电荷增加，那么到达指定门限的转移次数将减少，获取时序如表1 所示。

表1 获取时序

为了提高该触摸传感控制器充放电的灵活性，用户可配置充电及电荷转移时序。图5 为充电转移时序图，高脉冲计数值由寄存器CTPH[3:0]确定，扩频计数值由1 递增到寄存器SSD[6:0]确定的某个值，再递减到1，如此往复，充电高电平的宽度由高电平计数和扩频计数共同决定。低脉冲计数值由寄存器CTPL[3:0]确定。高低脉冲计数的最小值为1，最大值为16，预分频为1～128，可算得高低电平的最小脉宽为1 个Clock时钟周期，最大脉宽为2 048（128×16）个Clock 时钟周期，通常设置在500 ns～2 μs 之间。为了确保测量准确度，脉冲高电平持续时间必须确保能将Cx充满。

图5 充电转移时序

死区时间是插在充电和电荷采集过程之间的一段时间。这段时间内充电开关和电荷迁移开关处于断开状态，用来保证稳定正确的电荷迁移采集顺序。这个阶段的持续时间为Clock 的2 个周期。

扩展频谱功能能产生可变的充放电频率，这可以提高噪声环境下电荷迁移采集检测的稳健性，减少感应信号扩散，在正常的充放电周期上可以有10%～50%的调整空间。例如，正常的充放电频率是250kHz（4μs），典型的扩展频谱误差是10%（400 ns），导致最小充放电频率变成约227 kHz。

在该设计中，展频是通过延展高脉冲宽度实现的，每次充放电时，高脉冲比前一次宽一个展宽时钟，直到展宽宽度达到SSD 设定的最大值，之后展宽宽度开始递减直到1，如此循环直到出现中断，扩展频谱可变原理如图6 所示。

图6 扩展频谱可变原理

3 仿真结果

本文采用HDL Verilog 硬件语言设计触摸控制电路，使用ModelSim 软件和Spectre 软件进行功能仿真。

图7 为扩频功能仿真波形，其中SSD 配置为0x1F。每次充放电时，高脉冲展宽符合图6 的设计原理，且可看到采样通道的输出周期是不断变化的，且与系统时钟频率相关。如图7 中系统时钟为72 MHz，扩频输出的周期变化范围为27.6～3 532.8 ns，把触摸时的频谱能量均匀分布到该频段范围内，避免了跟高频干扰信号的能量峰值共振，提高了噪声环境下电荷迁移采集检测的稳健性，同时可以限制感应信号扩散，极大地提高了电容式触摸按键控制器的抗干扰能力。

图8 为触摸传感控制器仿真时序图，从图中可以看出，其充放电转移时序符合图5 的设计。经过350 次充电及电荷转移，采样电容电荷积累到阈值1.695 V，采样通道I/O 发生翻转，此时控制器采集到输入高电平产生相关中断以告知CPU 进行充电次数采集及后续处理。