电容触摸感应MCU的工作原理与基本特征

现在的电子产品中，触摸感应技术日益受到更多关注和应用，并不断有新的技术和IC面世。与此同时，高灵敏度的电容触摸技术也在快速地发展起来，其主要应用在电容触摸屏和电容触摸按键，但由于电容会受温度、湿度或接地情况的不同而变化，故稳定性较差，因而要求IC的抗噪性能要好，这样才能保证稳定正确的触摸感应。

针对市场的需求，来自美国的高效能模拟与混合信号IC创新厂商Silicon Laboratories(简称：Silicon Labs)公司特别推出了C8051F7XX和 C8051F8XX系列的MCU(单片机)，专门针对电容触摸感应而设计，在抗噪性能和运算速度上表现的非常突出。

一、Silicon Labs公司的电容触摸系列MCU

目前Silicon Labs公司推出的C8051F7xx和C8051F8xx等电容触摸系列MCU，以高信噪比高速度的特点在业界表现尤为出色。同时，灵活的I/O配置，给设计带来更多的方便。另外，由于该系列MCU内部集成了特殊的电容数字转换器(CDC)，所以能够进行高精度的电容数字转换实现电容触摸功能。

CDC的具体工作原理：

如图1所示，IREF是一个内部参考电流源，CREF是内部集成的充电电容，ISENSOR 属于内部集成的受控电流源，CSENSOR为外部电容传感器的充电电容，由于人体的触摸引起CSENSOR的变化，通过内部调整过的ISENSOR对 CSENSOR进行瞬间的充电，在CSENSOR上产生一个电压VSENSOR，然后相对内部参考电压经过一个共模差分放大器进行放大;同理IC内部的 IREF对CREF充电后也产生一个参考电压并相对同样的VREF经过差分放大，最后将2个放大后的信号通过SAR(逐次逼近模数转换器)式的ADC采样算出ISENSOR的值。

图1

Silicon Labs SAR式的ADC采样可选择12-16位的分辨率，如图2所示，采用16位的分辨率进行逐位比较采样：首先从确定最高位第16位(IREF=0x8000)开始，最高位的值取决于电容的充电速率，也就相当于电流的大小，取电流IREF/2，比较VSENSOR和VREF：

VSENSOR > VREF 则 最高位 = 0 ;

VSENSOR < VREF 则 最高位 = 1 ;

随后，SAR控制逻辑移至下一位，并将该位设置为高电平，进行下一次比较：

如果第16位是1，则取下一个IREF=0xC000 ;

如果第16位是0，则取下一个IREF=0x4000.

这个过程一直持续到最低有效位(LSB)。上述操作结束后，也就完成了转换，将算出的16位转换结果储存在寄存器内。

图2

利用此电容采集转换功能，可用在电容触摸屏或者触摸按键上。比如，电容式触摸屏的应用(图3所示)。一般自容式电容触摸屏主要包括一层表面玻璃层，中间两层行列交叉的ITO层(行列层之间间没有短接)，以及GND底层。每一行和列分别与MCU的采集输入通道直接相连，当手指触摸到电容屏的表面玻璃层时，会引起某一行或列的ITO 块的对地电容(如图4)值变大，从而通过电容采样以及特定的算法确定电容值发生一定变化的点(触摸点)的位置(X,Y),最后将触摸点的位置上传给主处理器实现系统操作功能。

图3

图4

目前Silicon Labs 的C8051F7XX触摸屏功能主要是单点触摸，但通过软件算法可以实现两点的手势识别，比如缩放、旋转等，同时还能实现对水滴识别以及湿的手指触摸正常划线功能。

而触摸按键的电容采样原理一样，只是每个采集输入通道连接一个触摸按键，MCU可以直接确定某个按键被触摸然后进行相应功能的实现，算法处理相对简单。