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电容式感应设计技巧

电容式感应设计技巧

点击数:7639 次   录入时间:03-04 12:03:00   整理:http://www.55dianzi.com   电子技术


(图二) 以连续近似法量测电容值
 
电容对电压转换器乃是利用切换式电容器技术。这套电路可以把感测电容器的电压转成对应感测器的电容值。而切换式电容器的时脉则是来自于PSoC内部的主要震盪器。

步骤一

感测电容器CX连接至一个模拟多工汇流排上,其中感测器电容值与汇流排电容值是平行连结且互相共享电容值。此汇流排上还连接了一组可编程IDAC来为这些电容器充电。虽然电容器两端电位差一样,但内含的电荷量却不同,由下列关系式的定义即可发现:


公式一

步骤二

当开关SW2为开路而开关SW1为闭路时,将使得CX上的电压成为零,而汇流排上的电荷量就会少掉原本CX所含的电荷量。IDAC则仍会对模拟多工汇流排的电容器充电。

重复步骤一与二,CX的切换式电容器就会变成电流负载,其值则与该电容值有关:

步骤三

当切换式电容器线路运作时,IDAC就可以完成分类工作。此处IDAC利用二元搜寻法(binarysearch)决定出一个附加CX的汇流排之恆定电压值。这表示感测器将电压从汇流排引开的量为:


公式二
 
而汇流排电压结果是根据切换频率、感测器电容值以及IDAC电流所决定的。CBUS可作为旁路电容器(bypasscapacitor),来稳定所产生的电压。汇流排上的电容值可增加以进一步提升稳定度。外部电容器则会影响效能与时序等需求。

步骤四

随着无指触的感测器上所对应的IDAC值,感测电容器又会经由SW2而再次与汇流排连接。此时IDAC对汇流排充电,而且会开始量测之电容值由原先的电压值转到比较器临界值所需的时间,计时工作则是由一个16位元的计时器与内部主震荡器完成。此处会得到新的电压对应电容器的关系式,如(图三):


公式三
 
其中CP是感测器的原生电容值,而CF是触发物(手指)接近感测器所增加的电容值。

当连接至汇流排的感测电容器比较大时(例如用手指触碰感测器),汇流排上的电压会下降较多,而且量测充电开始处的电压也比较低。由于采用的是恆流电源,因此要达到临界电压所需的时间也比较长。最后,藉由感测器因有无手指触碰所产生不同的计数值,来判断电容的量测值。



(图三) 电压对应时间关系图
■高阶处理程序

关于感测器触发、环境重新测定、滑桿与触控板的质心计算以及其他处理程序等种种决定,所採用的计数方式皆因感测器不同而有各自基线。每个感测器的基线值经计算、储存后即可用于更为强固的决策形成上。

˙基线重新测定(BaselineRecalibration)

环境条件的改变会多方面影响感测器计数值。参考电压的临界值会随温度而变,覆盖层物质、印刷电路板的电介质常数也会受温度影响,而改变感测器电容值。热涨冷缩的效应亦会改变电容值。累积在覆盖层表面的灰尘污垢也会影响其电介质特性与电容值。此外,空气中的湿气也会影响感测器而产生些许干扰噪音。

韧体技术可以用来解决因电容值与电路系统改变而造成计数值的小变动。其实计数改变式时常会发生的情况。对内含12MHz内部主要震盪器的微处理器而言,几秒钟已算是相当长的一段时间。针对这些技术的讨论就已将相当花时间了,而无限脉冲响应(infiniteimpulseresponse;IIR)滤波器以及连续近似法只是诸多方法中的两种。

˙感测器触发(SensorActivation)

电容式感测器利用基线值和一连串的临界值来决定感测器的触发状态。触发区域的上下限能对感测器的触发产生迟滞作用。要触发感测器就必须要超越较高的临界值,而且被触发的状态会一直持续到计数值降到较低的临界值以下为止,如(图四)。



(图四) 感测器触发与电容值变化
 

第三临界值可消除系统周遭的干扰噪音,并且减少手指在基线重新测定上的影响;而噪音临界值(noisethreshold)则用来忽略计数(电容)值的小变化。此外,若手指触碰感测器时,杂讯临界值则是停止当时的基线测定动作。若手指触碰感测器且感测器重新测定同时启动时,则手指则对感测器基线产生极大的影响。

˙滑桿与触控板的质心计算

就算是用很小的计数值也能计算滑桿与触控板的质心。质心计算能利用乘算器与计数值来设定其解析度。

每个感测器的计数值都会乘上某一个设定值,而这些结果的总平均就可以推算出质心值。

针对触控板方面,则是分别计算其中纵向与横向滑桿的质心值。


整合

电容式感测技术可轻易地运用在电玩控制器的应用中。按键控制尤其简单,只需将原本机械式按键用具有相似电路面积的电容式按键取代即可。电容式按键因具备模拟功能,所以手指按得越用力,与感应器覆盖层的互动面就会越大,因而增加感应器与接地部分的触发面积,如此将造成更强的信号和更高的计数值。

针对操控台本身,电容式按键也可以取代面板上原有的按键和开关,并简化零件组合与提升视觉风格。而且由于面板上的按键较主机上的按键更为分散,因此可用较大的电容式按键以获得更好的灵敏度。

电容式滑桿虽然无法直接应用在电玩控制器上,但仍可附加在控制器或操控台上,以用来控制选单查询。在驾驶类游戏中的控制油门功能也可用它来取代原有的单一模拟按键。此时就不是靠按的力量,而是以上下滑动手指这种更具直觉的控制方式来决定速度。

触控板是最接近摇桿的介面型式,因为它具备二维(甚至三维)的控制维度,而且提供非机械式、比摇桿更坚固的控制架构。此外,触控板亦能提供更有趣、更具市场性的新介面。

近距感测技术则可用于无线控制器的省电功能上。对于一些以电池供电的应用而言,功耗是一项非常重要的考量要素。近距感测器可以用来关闭装置中暂时不用的主要控制器。当近距感测器侦测到手指靠近时,控制器的无线无线电可启动并与操控台接收器通信。藉由关闭控制器的无线电,即可节省可观的电力,而且也不再需要固接线路的电源开关。

PSoC混合信号阵列(MixedSignalArray)是一套可配置式的数字与模拟资源阵列、快闪存储器与RAM、一个8位元微控制器、还有其他许多功能。这些功能让PSoC可在其CapSense系列元件中建置各种创新电容式感测技术。利用PSoC的直觉式开发环境来配置或重新配置元件设计,可以符合设计规格与规格变更之需求。新的感测技术展现了更好的灵敏度与抗干扰能力,并能降低功耗、提升更新速率。

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