在设计中嵌入电容性触摸按键、滑块和滑轮

　　无论是移动电话和PDA等便携式消费电子产品，还是汽车、厨房电器、医疗设备以及工业和商业感测应用，基于直观式电容性触摸技术的解决方案都是这些领域的人机界面。稳健可靠的电容性触摸解决方案正在取代传统的电阻性滑块、机械按键和旋转控制装置。

　　基于电荷转移的电容性触摸捕获技术

　　基于“电荷转移”的电容性触摸捕获可采用下列两种方法来实现。

　　种方案是将一个电容未知的感测电极充电至已知电势。该电极通常是PCB板上的一块铜区域。终电荷会被转移到一个测量电路。在完成一个或多个“充电与转移”周期后对电荷进行测量，可以确定感测板的电容。把手指放在触摸表面会产生外部电容，因而影响接触点的电荷流。这就是一个触摸操作。

　　第二种方案采用了一对感测电极：一个是发射电极，由逻辑脉冲电荷以间歇模式来驱动；另一个是接收电极，经由覆盖板电介质与发射极耦合。当手指触摸覆盖板时，场耦合减小，触摸因此被检测到。这种驱动、接收和处理逻辑被内置在微控制器(MCU)中，故只需极少的外部组件。

　　两种方案都有其独特的优势，分别适合特定的应用。

　　触摸功能

　　来自基于“电荷转移”的电容性触摸捕获方案的触摸功能可以分为触摸屏、触摸按键、滑块和滑轮。

　　触摸屏功能支持无限次数的触摸，极大地改善了用户体验，并改变了用户与电子产品的交互方式。内置的手势以及能够忽略无意识操作使得用户界面既直观又可靠。触摸屏能够识别手写笔、指甲和手套的触摸，为手持设备提供了简便的文本输入方式。

　　触摸按键、滑块和滑轮一般适用于单个用户触摸，并采用算法来确定触摸状态和位置，它与信号强度无关，这一特性使得触摸检测可靠。触摸按键、滑块和滑 轮 功能可以两种方式集成在产品设计中：固定功能器件方案；MCU触摸软件库(Touch library)方案。

　　开发人员按不同产品设计的具体要求来选择所需的触摸功能和解决方案。

　　触摸按键、滑块和滑轮的典型使用环境见表1。

　　典型的电容性触摸传感器通过各个通道连接至MCU。图3所示为使用一个通道的接近按键传感器、使用一个通道的触摸按键传感器和使用一组三个通道的滑块/滑轮传感器。MCU端口引脚可用作触摸传感器通道引脚。

　　固定功能器件方案

　　目前市场上提供的解决方案之一是固定功能触摸器件，所谓“固定功能”是指一组只用于处理触摸传感器的器件。因此，固定功能器件就是一种专用的触摸微控制器解决方案。固定功能触摸器件可提供单通道或多通道支持，其触摸传感器排列通常是按照用作按键、滑块、滑轮还是这些功能的固定组合而预先配置好的。

　　固定功能器件一般会利用串行接口来向主微控制器更新触摸状态信息，该接口通常是一个I2C兼容接口。或是采用SPI、USART和位触发(bit banging)等其它接口技术。固定功能器件的触摸状态往往包括接近按键或触摸按键的开关(ON/OFF)状态，滑块的线性触摸定位值，以及滑轮的触摸角度定位值。

　　此外，固定功能触摸器件还具有一项额外的功能，即器件引脚上可输出频闪和脉冲来显示某种结果，而无需采用串行接口。这意味着按键的开关状态或滑块、滑轮的位置信息并非固定功能触摸器件的输出信息。而对这些数据进行二级处理而获得的二级数据输出，可以满足应用的需求。例如，在电器的功率控制中，触摸按键状态信息可以转换为一个经过编程的自动关断延时，以触发脉冲的形式输出到器件的某个引脚上，关断电器。

　　固定功能器件的特性如下：是可用的电容性触摸解决方案；固定功能微控制器可带有在出厂已编程的固件；相比微控制器触摸软件库方案，把固定功能方案集成到产品设计中所需的工作量比较小；输出接口和传感器排列方面的用户可配置性有限；因为是由主微控制器完成主要的应用任务，而加入固定功能触摸器件旨在增加电容性触摸支持，所以这种方案需要在设计中加入额外的微控制器。

　　图2：电容性触摸应用。

　　开发人员按不同产品设计的具体要求来选择所需的触摸功能和解决方案。

　　触摸按键、滑块和滑轮的典型使用环境见下表。

　　典型的电容性触摸传感器通过各个通道连接至MCU。图3所示为使用一个通道的接近按键传感器、使用一个通道的触摸按键传感器和使用一组三个通道的滑块/滑轮传感器。MCU端口引脚可用作触摸传感器通道引脚。

　　图3：触摸感测接口。

　　固定功能器件方案

　　目前市场上提供的解决方案之一是固定功能触摸器件，所谓“固定功能”是指一组只用于处理触摸传感器的器件。因此，固定功能器件就是一种专用的触摸微控制器解决方案。固定功能触摸器件可提供单通道或多通道支持，其触摸传感器排列通常是按照用作按键、滑块、滑轮还是这些功能的固定组合而预先配置好的。

　　固定功能器件一般会利用串行接口来向主微控制器更新触摸状态信息，该接口通常是一个I2C兼容接口。或是采用SPI、USART和位触发(bit banging)等其它接口技术。固定功能器件的触摸状态往往包括接近按键或触摸按键的开关(ON/OFF)状态，滑块的线性触摸定位值，以及滑轮的触摸角度定位值。

　　图4：固定功能触摸MCU解决方案。

　　此外，固定功能触摸器件还具有一项额外的功能，即器件引脚上可输出频闪和脉冲来显示某种结果，而无需采用串行接口。这意味着按键的开关状态或滑块、滑轮的位置信息并非固定功能触摸器件的输出信息。而对这些数据进行二级处理而获得的二级数据输出，可以满足应用的需求。例如，在电器的功率控制中，触摸按键状态信息可以转换为一个经过编程的自动关断延时，以触发脉冲的形式输出到器件的某个引脚上，关断电器。

　　固定功能器件的特性如下：是可用的电容性触摸解决方案；固定功能微控制器可带有在出厂已编程的固件；相比微控制器触摸软件库方案，把固定功能方案集成到产品设计中所需的工作量比较小；输出接口和传感器排列方面的用户可配置性有限；因为是由主微控制器完成主要的应用任务，而加入固定功能触摸器件旨在增加电容性触摸支持，所以这种方案需要在设计中加入额外的微控制器。

　　图5：触摸软件库解决方案。

　　微控制器触摸软件库方案

　　触摸软件库为用户提供了一组他们所期待的触摸按键、滑块和滑*能，这些功能可连接到固件中，为设计项目提供触摸感测能力。基于“电荷转移”的触摸捕获技术利用常见的片上硬件来处理触摸传感器，为通用微控制器中的电容性触摸支持提供便利。微控制器供应商能够通过标准微控制器产品系列来支持这种解决方案，从而为产品设计人员提供了使用现成触摸解决方案的机会。

　　图6：通用MCU触摸软件库解决方案。

　　触摸软件库微控制器解决方案较固定功能器件方案为硬件和固件设计提供更大的灵活性。利用触摸软件库API，用户能够实现任何所需的传感器定制配置。此外，触摸软件库还能让用户可以很方便地按照自己的意愿选择一组端口引脚，用作所选标准微控制器上的触摸传感器通道。同时，触摸处理现在已可成为主要用户应用任务的一环了。

　　触摸软件库MCU解决方案提供的这种用户配置能力，对于升级现有设计和增加电容性触摸功能性相当有用。现有设计中的通用微控制器可以复用。利用触摸软件库，便可重新配置在目前设计中用于机械按键、滑块或滑轮的端口引脚，从而支持电容性触摸。这时，熟知微控制器的使用，了解相关微控制器工具的用法就成了一大增值优势。因此，触摸软件库可用来为众多控制应用开发单芯片解决方案，或者在比较复杂的应用产品中减少芯片数目。

　　图7：专用微控制器及主MCU触摸软件库解决方案。

　　触摸软件库解决方案所延伸出的一个有意思的优点，是可用于专用微控制器。例如，汽车、无线、LCD和USB MCU都有专用的微控制器产品系列。基于“电荷转移”捕获的触摸软件库能够让这些微控制器实现电容性触摸功能，从而开辟了新的产品设计途径。

　　，许多产品采用一个主微控制器和一个专用控制器来实现触摸功能性。由于触摸功能性被集成到主微控制器中，故板空间和产品成本得以减少。在这种主微控制器中，只要利用触摸软件库，片上触摸硬件的软件开销便可被降至。

　　以下是采用基于触摸软件库的微控制器解决方案的一些考虑事项：用于开发触摸应用的免权益金软件库；按键数对芯片引脚数效率，即支持一定触摸传感器数所需的微控制器引脚数随选择的测量电容的“电荷转移”方案不同而变化；触摸软件库代码存储和数据存储消耗；触摸软件库的处理器MIPS消耗；触摸传感器处理所需的片上外设资源。

　　实现触摸支持的辅助PC软件工具

　　固定功能器件和触摸软件库解决方案可提供调试信息，让用户实时监控触摸传感器的相关数据。触摸传感器电容性测量中的信号、参考值和增量值等信息以及开关(ON/OFF)状态和位置信息，都可通过一个串行调试接口来传送。用户能够利用PC软件工具获得这种调试信息，用于监控传感器功能性和调节某些传感器参数，以优化触摸性能。

　　图8：MCU触摸软件库*测平台。

　　图9：PC软件工具辅助触摸调试。

　　本文小结

　　总之，对于基于微控制器的电容性触摸解决方案，产品设计人员的选择范围很广。固定功能器件为用户提供了一种随时可用的电容性触摸解决方案；而触摸软件库则为用户提供了基于通用、专用和主微控制器的可定制触摸功能，以满足不同应用领域的产品需求。PC软件工具有助于触摸技术的集成，能够极大地简化其实现。