白皮書：在HMI應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高精度電容式觸摸傳感器

近年來(lái)，電容式觸摸傳感器在多種應(yīng)用中得到廣泛使用，例如家電和工業(yè)設(shè)備，旨在改善設(shè)計(jì)和提供防水防塵性。 但是，根據(jù)應(yīng)用的不同，也出現(xiàn)了許多問(wèn)題，例如，因干擾噪聲或水滴導(dǎo)致的操作故障，以及因缺乏專業(yè)技術(shù)知識(shí)而導(dǎo)致的開發(fā)延期。 為解決這些問(wèn)題，瑞薩電子推出了采用新一代電容式觸摸傳感器 IP — CTSU2SL 的 MCU。 本白皮書介紹了CTSU2SL 出色的抗噪性、防水性和間歇運(yùn)行時(shí)的低功耗特性，以及用于開發(fā)的各種工具和指南，其中也包括應(yīng)用開發(fā)示例。

到 2029 年，全球 HMI 市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以 7.90% 的年均復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。 隨著 HMI 技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展，它
在改善 UX（用戶體驗(yàn)）和 UI（用戶界面）以及產(chǎn)品增值方面變得日益重要。 在這些市場(chǎng)條件下，對(duì)電
容式觸摸傳感器的需求不斷增加，這種傳感器可根據(jù)外殼的設(shè)計(jì)理念，作為操作面板部署到木材或透明
亞克力等多種材料上，或者用作 LED 式用戶指示，從而提升使用便利性。 不同于傳統(tǒng)的實(shí)體按鈕，電
容式觸摸傳感器沒(méi)有彈簧或其他活動(dòng)部件，因此不易因磨損而發(fā)生故障，能夠延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。 除此
之外，其操作面板可實(shí)現(xiàn)全平面無(wú)縫設(shè)計(jì)，易于采取防塵防水措施，更加便于進(jìn)行清潔與其他保養(yǎng)。 這
項(xiàng)技術(shù)以往主要用于對(duì)功能性和設(shè)計(jì)具有較高要求的高端家電，而近年來(lái)，它逐漸滲透到低端家電、工
業(yè)設(shè)備，以及需要保持高度清潔的醫(yī)療保健設(shè)備中。

但是，引入新的電容式觸摸傳感器必須克服各種阻礙，例如，防止因噪聲或水滴干擾造成觸摸誤檢、電
極布局設(shè)計(jì)和靈敏度調(diào)整，以便實(shí)現(xiàn)舒適的觸摸操作。

瑞薩電子擁有多種配備電容式觸摸傳感器 IP 的 MCU 產(chǎn)品，以及 10 余年的成熟經(jīng)驗(yàn)，能夠滿足用戶在
其應(yīng)用中部署觸摸傳感器時(shí)的各種需求。 新一代的電容式觸摸傳感器 IP — CTSU2SL 相較于上一代，
具有更加出色的抗噪性、防水性以及低功耗特性，能夠在各種條件下實(shí)現(xiàn)卓越的可操作性。 本白皮書介
紹了 CTSU2SL 的升級(jí)特性。

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*附件：在多種 HMI 應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高精度電容式觸摸傳感器-capacitive-touch-sensor-rx261-rx260.pdf

多頻測(cè)量使抗噪性更上一層

電容式觸摸傳感器可以檢測(cè)到因手指或手掌接近而產(chǎn)生的電容變化，但附近環(huán)境中的干擾噪聲同樣會(huì)導(dǎo)
致細(xì)微的電容變化。 傳統(tǒng)的檢測(cè)方法采用單頻點(diǎn)測(cè)量來(lái)測(cè)量電容，因此當(dāng)干擾噪聲頻率與測(cè)量頻率同步時(shí)，這種方法就無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，由此也會(huì)發(fā)生觸摸誤檢。 CTSU2SL 多頻測(cè)量方法采用三個(gè)測(cè)量頻率，
因此，即使當(dāng)一個(gè)測(cè)量頻率受到干擾噪聲影響，其余兩個(gè)受影響較輕的測(cè)量頻率仍然能夠準(zhǔn)確地測(cè)量事
件。

主動(dòng)屏蔽有效提高抗噪性和防水性

寄生電容是指產(chǎn)品電路板上未連接電容器的電極和電纜的電容。 大型寄生電容可降低電容式觸摸傳感器
的檢測(cè)靈敏度。 CTSU2SL 的主動(dòng)屏蔽是一種利用與被測(cè)量電極相同的電位和相位信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)屏蔽護(hù)罩
的功能。 該功能可抑制因電極和屏蔽護(hù)罩間電容耦合而產(chǎn)生的寄生電容增加，從而提升抗噪性。
在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)水滴、油脂或其他物質(zhì)接通電極和附近屏蔽護(hù)罩之間的間隙時(shí)，傳統(tǒng)方法會(huì)導(dǎo)致電容
增加，這可能會(huì)被誤認(rèn)為是觸摸操作所導(dǎo)致的電容變化。 而主動(dòng)屏蔽可降低測(cè)量期間因水滴和其他因素
導(dǎo)致電極與屏蔽護(hù)罩電容增加的影響。 因此，電容式觸摸傳感器能夠安全地用于廚房和洗手間等易附著
水漬和油漬的環(huán)境中。

智能喚醒解決方案可減少功耗

隨著采用電池供電的環(huán)保產(chǎn)品（智能鎖和智能家電）與日俱增，對(duì)使用電容式觸摸傳感器的 HMI 技術(shù)
的低功耗需求也在不斷增加。 為滿足這類需求，瑞薩電子推出了智能喚醒解決方案，該解決方案采用
SNOOZE 模式（MCU 的低功耗模式之一）以及 CTSU2SL 自動(dòng)判斷功能和 MEC（多電極連接）功
能，可顯著降低產(chǎn)品的待機(jī)功耗。

SNOOZE 模式在 CPU 待機(jī)期間停止時(shí)僅運(yùn)行某些外設(shè)功能，而自動(dòng)判斷功能可在無(wú)需運(yùn)行 CPU 的情
況下判斷是否觸摸硬件按鈕，通過(guò)將兩者相結(jié)合，當(dāng)該產(chǎn)品在 SNOOZE 模式期間未檢測(cè)到觸摸事件
時(shí)，會(huì)恢復(fù)軟件待機(jī)模式，無(wú)需 CPU 進(jìn)行判斷，從而保持低功耗。 此外，MEC 功能可將多個(gè)觸摸按
鈕作為單個(gè)按鈕進(jìn)行測(cè)量，以縮短測(cè)量時(shí)間并實(shí)現(xiàn)更低功耗。

專為電容式觸摸傳感器優(yōu)化的開發(fā)環(huán)境

? QE for Capacitive Touch

通過(guò)試湊法調(diào)整觸摸參數(shù)需要耗費(fèi)大量時(shí)間，這一直是電容式觸摸傳感器開發(fā)過(guò)程中的一道阻礙。 瑞
薩電子推出了 QE for Capacitive Touch，這是一款用于電容式觸摸傳感器的開發(fā)支持工具，能夠自動(dòng)
生成觸摸檢測(cè)程序、監(jiān)視測(cè)量值并使用 GUI 調(diào)整參數(shù)，從而降低觸摸靈敏度調(diào)節(jié)的難度。
? 電容式觸摸評(píng)測(cè)系統(tǒng)

用于評(píng)測(cè)電容式觸摸傳感器的電路板，包含一塊帶有 MCU 的 CPU 板，以及一塊用于評(píng)測(cè)按鈕、滑塊
和滾輪的擴(kuò)展板，可對(duì)所有觸摸端口進(jìn)行評(píng)測(cè)。 此外，其中還提供了示例代碼（例如智能喚醒解決方
案），便于用戶能夠快速實(shí)施瑞薩電子的觸摸按鍵解決方案。

? CTSU 電容式觸摸介紹指南

本簡(jiǎn)介指南介紹了電容式觸摸傳感器的檢測(cè)原理和特性、MCU 產(chǎn)品系列、硬件、軟件、開發(fā)環(huán)境和評(píng)
估板，因此，即使不熟悉電容式觸摸傳感器的用戶也能了解瑞薩電子的觸摸按鍵解決方案。

? CTSU 電容式觸摸電極設(shè)計(jì)指南

電容式觸摸傳感器的測(cè)量結(jié)果根據(jù)各種因素而有所差異，例如，觸摸電極板的形狀和尺寸、線路布線、
外圍布局、覆蓋面板厚度、是否存在空氣層以及產(chǎn)品外殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 因此，必須充分考慮電極靈敏度和
抗噪性的設(shè)計(jì)。 本指南詳細(xì)說(shuō)明了使用 CTSU 和 CTSU2x 時(shí)的電極板與布線設(shè)計(jì)及其各種相關(guān)因素，
并介紹相關(guān)的建議應(yīng)用。

? 電容式觸摸抗噪性指南

電容式觸摸傳感器會(huì)受到附近環(huán)境中干擾噪聲的影響，因?yàn)榧词故嵌嘤嗟碾娦盘?hào)也會(huì)導(dǎo)致電容發(fā)生細(xì)微
的變化。 由于這種噪聲的影響程度根據(jù)硬件設(shè)計(jì)而有所差異，因此，在設(shè)計(jì)階段采取應(yīng)對(duì)措施可提高傳
感器的抗噪性，實(shí)現(xiàn)有效的產(chǎn)品開發(fā)。 本指南根據(jù) IEC61000-4 抗噪性標(biāo)準(zhǔn)，介紹了如何提高采用瑞薩
電容式觸摸傳感單元 (CTSU) 的產(chǎn)品的抗噪性。

搭載 CTSU2SL 的 MCU 與應(yīng)用開發(fā)示例

搭載 CTSU2SL 的瑞薩 MCU 可在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、電容式觸摸傳感器、安全保護(hù)，以及其他
多種功能，從而降低用戶的 BOM 成本。 在暢銷市場(chǎng) 10 余年的 RX 系列 MCU 中，RX261/RX260 和
RX140 均配備 CTSU2SL。 除了家電等常規(guī)觸摸應(yīng)用場(chǎng)景之外，這些 MCU 還可讓觸摸式傳感器部署在
各種應(yīng)用中。 在常規(guī)觸摸應(yīng)用中，RX140 可用于將 HMI 和系統(tǒng)控制功能集成到單個(gè)芯片內(nèi)，以降低整
體系統(tǒng) BOM 成本。 另一方面，如果需要比 RX140 更強(qiáng)的處理性能或更大的內(nèi)部存儲(chǔ)器空間，則可使
用 RX260。 RX261 適合用于需要 CAN FD、USB 和安全功能的應(yīng)用。

通過(guò)將采用電容式觸摸傳感器的接近按鈕安裝在電梯操作面板，即可在不直接觸摸面板的情況下進(jìn)行操
作，即使在使用人數(shù)不定時(shí)仍可確保設(shè)備清潔。 RX261 配備 CAN FD，而 RX140 配備 CAN，因此，
操作面板及其他模塊可通過(guò)可靠的通信方式進(jìn)行連接。

將電容式觸摸傳感器用于智能鎖操作面板，可提供戶外使用所需的防水防塵功能。 此外，借助在待機(jī)期
間仍可檢測(cè)觸摸事件的智能喚醒功能，能夠降低功耗，延長(zhǎng)內(nèi)置電池的工作時(shí)間。 不僅如此，得益于內(nèi)
置在 MCU 中可靠的安全功能，RX261 還可保護(hù)用戶數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全地更新固件。

結(jié)論

盡管對(duì)于電容式觸摸傳感器的需求不斷增加，但各種部署應(yīng)用對(duì)于其抗噪性、防水性和低功耗提出了嚴(yán)
格的要求。 瑞薩電子的新款電容式觸摸傳感器 IP — CTSU2SL 通過(guò)多頻測(cè)量提高了抗噪性，通過(guò)主動(dòng)
屏蔽增強(qiáng)了抗噪性和防水性，并通過(guò)智能喚醒降低了功耗，從而出色地滿足了這些需求。 瑞薩電子還提
供各種評(píng)測(cè)與開發(fā)解決方案，以幫助您實(shí)施高精度電容式觸摸傳感器并縮短開發(fā)時(shí)間。