咨詢應(yīng)用工程師：電容傳感器用于電子設(shè)備的人機接口

問：什么是電容傳感器？

A：電容傳感器在物體或某人接近或觸摸傳感器時檢測電容的變化。該技術(shù)已在工業(yè)應(yīng)用中使用多年，以測量液位、濕度和材料成分。一種被廣泛使用的較新的應(yīng)用程序是在人機界面中。機械按鈕、開關(guān)和緩動輪長期以來一直被用作用戶和機器之間的接口。然而，由于它們的許多缺點，界面設(shè)計師越來越多地尋找更可靠的解決方案。電容式傳感器可以以與按鈕相同的方式使用，但它們也可以具有更大的多功能性，例如，在實現(xiàn) 128 位置滾動條時。

ADI公司現(xiàn)已提供專為在人機界面應(yīng)用中實現(xiàn)電容檢測而設(shè)計的集成電路。例如，AD7142和AD7143分別可以激勵和響應(yīng)多達14個和<>個電容傳感器。它們?yōu)殡娙輦鞲衅魈峁┘?，感測由用戶接近引起的電容變化，并提供數(shù)字輸出。

問：電容感應(yīng)如何工作？

答：基本傳感器包括接收器和發(fā)射器，每個接收器和發(fā)射器都由在印刷電路板（PCB）層上形成的金屬走線組成。如圖1所示，AD714x具有片內(nèi)激勵源，該激勵源連接到傳感器的發(fā)送器走線。在接收器和發(fā)射器走線之間，形成電場。大部分磁場集中在傳感器PCB的兩層之間.然而，條紋電場從發(fā)射器延伸到PCB之外，并終止于接收器。接收器的場強由片內(nèi)Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器測量。當(dāng)人手侵入邊緣場時，電氣環(huán)境會發(fā)生變化，一部分電場被分流到地上，而不是終止于接收器。由此產(chǎn)生的電容降低 - 與大部分電場的皮法法相比，飛法量級 - 由轉(zhuǎn)換器檢測到。

圖1.感應(yīng)電容。

一般來說，電容檢測解決方案有三個部分，全部由ADI公司提供。

驅(qū)動器IC提供激勵、電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器和補償電路，以確保在所有環(huán)境中獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

傳感器 - 具有走線圖案的 PCB，例如按鈕、滾動條、滾輪或某種組合。走線可以是銅、碳或銀，而 PCB 可以是 FR4、柔性、PET 或 ITO。

主機微控制器上的軟件，用于實現(xiàn)串行接口和設(shè)備設(shè)置，以及中斷服務(wù)例程。對于滾動條和滾輪等高分辨率傳感器，主機運行軟件算法以實現(xiàn)高分辨率輸出。按鈕不需要軟件。

圖2.三部分電容檢測解決方案。

問：電容式傳感的優(yōu)點是什么？

答：電容傳感器比機械傳感器更可靠，原因有很多。沒有移動部件，因此傳感器沒有磨損，傳感器由覆蓋材料保護，例如 MP3 播放器的塑料蓋。人類從不與傳感器直接接觸，因此可以將其密封，遠離灰塵或溢出物。這使得電容傳感器特別適用于需要定期清潔的設(shè)備（因為傳感器不會被刺激性研磨清潔劑損壞）以及手持設(shè)備，其中意外溢出的可能性不可忽略。

問：請詳細介紹AD714x IC的工作原理。

答：這些電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器專為人機界面應(yīng)用中的電容檢測而設(shè)計。這些器件的核心是一個16位Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC），它將容性輸入信號（由開關(guān)矩陣路由）轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在片內(nèi)寄存器中。片內(nèi)激勵源為250 kHz方波。

主機通過串行接口讀取結(jié)果。AD7142，提供SPI或I級器件?2C 兼容接口，具有 14 個電容輸入引腳。AD7143及其?2C 接口，具有 8 個電容輸入引腳。串行接口以及中斷輸出允許器件輕松連接到任何系統(tǒng)中的主機微控制器。

圖3.AD7142原理框圖

這些器件可連接多達 14 個外部電容傳感器，這些傳感器排列為按鈕、條形、輪子或傳感器類型的組合。外部傳感器由直接與IC接口的2層或4層PCB上的電極組成。

通過對片上寄存器進行編程，可以將這些器件設(shè)置為與任何一組輸入傳感器接口。寄存器還可以編程以控制每個外部傳感器的平均值和失調(diào)調(diào)整等功能。片內(nèi)時序控制器控制每個電容輸入的輪詢方式。

AD714x還包括片內(nèi)數(shù)字邏輯和528字RAM，用于環(huán)境補償。濕度、溫度和其他環(huán)境因素會影響電容傳感器的操作;因此，對用戶透明地，設(shè)備執(zhí)行連續(xù)校準(zhǔn)以補償這些影響，始終提供無差錯的結(jié)果。

AD714x的主要特性之一是靈敏度控制，它為每個傳感器賦予不同的靈敏度設(shè)置，控制用戶觸摸的柔和或硬度才能激活傳感器。這些獨立的激活閾值設(shè)置決定了傳感器何時處于活動狀態(tài)，在考慮不同尺寸傳感器的操作時至關(guān)重要。例如，一個應(yīng)用程序有一個直徑為 10 毫米的大按鈕和一個直徑為 5 毫米的小按鈕。用戶希望兩者都以相同的觸摸壓力激活，但電容與傳感器面積有關(guān)，因此較小的傳感器需要更硬的觸摸才能激活它。最終用戶不必比另一個按鈕更用力地按下一個按鈕才能獲得相同的效果，因此為每個傳感器提供獨立的靈敏度設(shè)置可以解決此問題。

問：如何考慮環(huán)境？

答：AD714x連續(xù)測量傳感器的電容電平。當(dāng)傳感器不工作時，測量的電容值存儲為環(huán)境值。當(dāng)用戶靠近或觸摸電容傳感器時，測得的電容會減小或增加。閾值電容電平存儲在片內(nèi)寄存器中。當(dāng)測得的電容值超過上限或下限閾值時，傳感器被視為活動狀態(tài)（如圖4所示），中斷輸出被置位。

圖4.傳感器激活。

圖4顯示了環(huán)境電容值不變的理想情況。實際上，由于溫度和濕度的變化，環(huán)境電容會不斷且不可預(yù)測地變化。如果環(huán)境電容值變化足夠大，則會影響傳感器激活。在圖5中，環(huán)境電容值增加;傳感器 1 正確激活，但當(dāng)用戶嘗試激活傳感器 2 時，會發(fā)生錯誤。環(huán)境值增加了，因此傳感器2測量的電容變化不足以使該值低于下限閾值。無論用戶做什么，傳感器 2 現(xiàn)在都無法激活，因為在這種情況下，其電容不能降低到下限閾值以下。更糟糕的可能性是環(huán)境電容水平繼續(xù)增加，直到超過上限閾值。在這種情況下，傳感器 1 將變?yōu)榛顒訝顟B(tài)，即使用戶尚未激活它，它將保持活動狀態(tài)（傳感器將被“卡住”），直到環(huán)境電容下降。

圖5.通過改變環(huán)境電容激活傳感器。

片內(nèi)邏輯電路可處理環(huán)境電容電平變化的影響。如圖6所示，閾值水平不是恒定的;它們跟蹤環(huán)境電容電平的任何變化，與環(huán)境電平保持固定距離，以確保用戶激活引起的電容變化始終足以超過閾值水平。閾值電平由片內(nèi)邏輯自動調(diào)整，并存儲在片內(nèi)RAM中。不需要來自用戶或主機處理器的輸入。

圖6.具有自動自適應(yīng)閾值的傳感器激活。

問：電容感應(yīng)是如何應(yīng)用的？

答：如前所述，傳感器走線可以是任意數(shù)量的不同形狀和大小。按鈕、滾輪、滾動條、操縱板和觸摸板形狀可以作為跡線布置在傳感器 PCB 上。圖7顯示了電容傳感器布局的選擇。

傳感器圖7.電容傳感器的選擇。

設(shè)計人員可以使用許多實現(xiàn)用戶界面的選項，從簡單地用電容式按鈕傳感器替換機械按鈕，到通過使用具有八個輸出位置的手柄或提供 128 個輸出位置的滾輪來消除按鈕。

使用單個設(shè)備可以實現(xiàn)的傳感器數(shù)量取決于所需的傳感器類型。AD7142具有14個電容輸入引腳和12個轉(zhuǎn)換通道。AD7143具有<>個電容輸入和<>個轉(zhuǎn)換通道。下表顯示了每種傳感器類型所需的輸入引腳和轉(zhuǎn)換級數(shù)。可以組合任意數(shù)量的傳感器，直至達到可用輸入和通道數(shù)量所確定的限制。

以“循環(huán)”方式對所有連接的傳感器按順序進行測量。但是，所有傳感器都可以在36毫秒內(nèi)測量，基本上可以同時檢測每個傳感器的狀態(tài)，因為用戶需要非?？斓臅r間才能在40毫秒內(nèi)激活或停用傳感器。

問：您可以為首次使用的用戶提供哪些設(shè)計幫助？

答：ADI公司為電容傳感器設(shè)計人員提供了大量資源。設(shè)計過程的第一步是確定應(yīng)用中需要哪些類型的傳感器。用戶是否需要快速掃描長列表，例如聽筒上的聯(lián)系人或 MP3 播放器上的歌曲？如果是這樣，請考慮使用滾動條或滾輪來允許用戶快速有效地瀏覽這些列表。用戶是否需要控制光標(biāo)在屏幕上移動？X-Y 游戲手柄非常適合此應(yīng)用程序。一旦所需傳感器的類型、數(shù)量和尺寸固定好，就可以開始傳感器PCB設(shè)計了。

作為可用于電容感測的設(shè)計資源的一部分，可在線獲取 Mentor Graphics PAD 布局庫。該庫中有許多不同類型和尺寸的傳感器作為組件提供，可以直接拖放到PCB布局中。該庫可作為觸摸控制器系統(tǒng)框圖的交互式部分提供。此外，還提供AN-854，這是一份應(yīng)用筆記，提供了有關(guān)如何使用傳感器庫快速布置所需傳感器的詳細信息、提示和技巧。

設(shè)計PCB時，將AD7142或AD7143與傳感器放在同一電路板上，以最大程度地減少因連接器移動和電容變化而導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤的可能性。其他元件、LED、連接器和其他 IC， 例如， 可以與電容傳感器放在同一個 PCB 上， 但傳感器 PCB 必須粘合或粘在覆蓋材料上以防止傳感器上方的氣隙， 因此在 PCB 上放置任何其他組件都必須考慮到這一點.

對于關(guān)注RF噪聲的應(yīng)用，可以使用RC濾波器來最大程度地減少對傳感器的干擾。在傳感器周圍使用接地層也將最大限度地減少任何干擾。

PCB可以有兩層或四層。當(dāng)傳感器有效區(qū)域之外沒有空間在IC和傳感器之間布線時，必須使用4層設(shè)計，但如果有足夠的布線空間，則可以使用2層設(shè)計。傳感器走線和電容輸入引腳之間允許的最大距離為 10 cm，但一個傳感器在一個方向上可以距引腳 10 cm，而另一個傳感器可以在相反方向上與引腳相距 10 cm，從而允許傳感器之間保持 20 cm。

問：我的傳感器PCB已經(jīng)準(zhǔn)備好了，現(xiàn)在怎么辦？

答：眾所周知，電容難以仿真，因此必須表征每種應(yīng)用中的傳感器響應(yīng)，以確保AD7142/AD7143的設(shè)置針對該應(yīng)用進行最佳設(shè)置。每個應(yīng)用只需進行一次表征過程，然后對每個單獨的產(chǎn)品使用相同的設(shè)置值。

傳感器在應(yīng)用中具有特性。這意味著任何覆蓋材料都必須在傳感器頂部就位，并且任何其他可能影響傳感器性能的PCB或組件都必須在傳感器周圍就位。

對于每個轉(zhuǎn)化渠道，我們需要配置：

來自設(shè)備 C 的內(nèi)部連接在轉(zhuǎn)換器的輸入引腳。這可確保每個傳感器使用一個轉(zhuǎn)換通道連接到轉(zhuǎn)換器。

傳感器偏移值，轉(zhuǎn)換為 C 的偏移散裝.這是與限制在PCB內(nèi)，發(fā)射器和接收器電極之間的電場相關(guān)的電容。當(dāng)傳感器處于活動狀態(tài)時，該值不會改變，而是為測量條紋電容值提供恒定的偏移。

上限和下限失調(diào)寄存器的初始值。片內(nèi)邏輯使用這些值來確定每個傳感器的激活閾值。

執(zhí)行特性鑒定的最簡單方法是將傳感器PCB連接到AD7142/AD7143評估板（ADI公司提供）。評估板上的微控制器和軟件可用于表征傳感器響應(yīng)并保存設(shè)置值。

問：我可以期待什么樣的回應(yīng)？

答：傳感器的實際響應(yīng)由傳感器從非活動變?yōu)榛顒訒r轉(zhuǎn)換器的輸出變化定義。此更改將取決于傳感器的面積 - 傳感器面積越大，傳感器處于活動狀態(tài)時的變化就越大。傳感器響應(yīng)還取決于覆蓋材料的厚度——如果它非常厚（4 毫米或更大），傳感器響應(yīng)將最小。原因是電場不會穿透非常厚的覆蓋材料，因此用戶將無法將足夠的磁場分流到地面以產(chǎn)生較大的響應(yīng)。圖8是按鈕傳感器的典型傳感器響應(yīng)。在這種情況下，它顯示了傳感器活動和非活動傳感器之間大約 250 LSB 的變化。

圖8.按鈕傳感器的典型響應(yīng)。

問：你提到了軟件？

答：主機處理器與AD7142/AD7143之間的交互由中斷驅(qū)動。主機實現(xiàn)串行接口，SPI 或 I2C. 當(dāng)觸摸傳感器時，AD7142/AD7143將中斷主機。然后，主機可以從片內(nèi)寄存器回讀數(shù)據(jù)。如果傳感器是按鈕或其他簡單的開/關(guān)型傳感器，則主機只需從片上狀態(tài)寄存器中讀回;活動按鈕導(dǎo)致在狀態(tài)寄存器中設(shè)置位。但是，如果傳感器具有高分辨率輸出，則必須在主機中斷例程中運行軟件算法來處理AD7142/AD7143數(shù)據(jù)。

該代碼免費提供給與ADI公司簽署許可協(xié)議的客戶。對于滾動條，代碼通常占用 500 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和 8k 字節(jié)的代碼存儲器。對于滾輪，代碼通常占用 600 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和 10k 字節(jié)的代碼存儲器。

ADI公司提供用C代碼編寫的示例驅(qū)動器，用于基本配置、按鈕傳感器和使用SPI和I的8路開關(guān)2C 兼容接口。簽署軟件許可證后，可提供滾輪和滾動條的示例驅(qū)動程序。

問：組裝成品的想法？

答：傳感器PCB和覆蓋材料或產(chǎn)品外殼之間不允許有氣隙，因為有一個氣隙會導(dǎo)致更少的電場延伸到塑料以上，從而降低傳感器響應(yīng)。此外，塑料或其他覆蓋材料可能會在接觸時彎曲，導(dǎo)致用戶與可變電場相互作用，并導(dǎo)致非線性傳感器響應(yīng)。因此， 傳感器PCB應(yīng)粘在覆蓋材料上，以防止形成任何氣隙.

此外，傳感器周圍不能有漂浮的金屬。需要 5 厘米的“禁止”距離?？拷鼈鞲衅鞯慕饘賾?yīng)接地超過 5 厘米，但不能有靠近傳感器的金屬超過 0.2 毫米。

最后，覆蓋傳感器有效區(qū)域的塑料應(yīng)約為2毫米厚。較大的傳感器區(qū)域應(yīng)使用較厚的塑料;可以支持高達4毫米的塑料厚度。

結(jié)論

電容式傳感器是用于人機界面的新興技術(shù)，正迅速成為一系列不同產(chǎn)品和設(shè)備的首選技術(shù)。電容式傳感器為各種便攜式和消費類產(chǎn)品提供創(chuàng)新且易于使用的接口。它們易于設(shè)計，使用標(biāo)準(zhǔn)的 PCB 制造技術(shù)，比機械開關(guān)更可靠.它們使工業(yè)設(shè)計師可以自由地專注于造型，因為他們知道電容傳感器可以依靠它來提供適合設(shè)計的高性能接口。設(shè)計人員可以從ADI公司的IC技術(shù)和產(chǎn)品組合中受益，以及專業(yè)知識以及可用的硬件和軟件工具，從而盡可能簡單快速地設(shè)計引入電容傳感器。

審核編輯：郭婷