Cypress CapSense技术让触摸按键产品特性更丰富

1. 简介

触摸按键应用的范围越来越广，从手机，GPS导航仪，到白色家电，门禁系统等众多产品中都能发现触摸按键的身影。随着应用规模的扩大，市场上提供触摸按键解决方案的芯片也越来越多。当面对众多的设计方案，设计者常常希望能够找到性价比高的IC产品，因此如果一颗IC不仅可以实现稳定可靠的触摸按键，还能为产品增加更多丰富特性，无疑可以拓宽产品的设计范围，使产品更加独特、具有吸引力。Cypress独有的CapSenseTM技术即可实现这一目标，本文以几个案例展示该技术如何让产品特性更丰富。

2. 人体接近感应

人体接近感应常见的解决方案是主动式反射红外接近感应，主动式红外探测器的发射器发出一束经调制的红外光束，经物体反射后被红外接收器接收，当人体靠近时，红外光束被部分或全部遮挡，此时接收机接收的信号就会发生变化，该信号经放大与信号处理后，即可控制发出报警信号。该方案的优点是探测距离远，但是存在红外视角等问题。实际上，对于很多电子产品来说，其探测距离要求仅需达到十厘米左右，甚至几个厘米即可, 这样的检测距离CapSenseTM完全能够满足。

CapSenseTM将接近感应区作为一个特殊的“接近感应按键”，与其他触摸按键一样连接在芯片管脚上，通过特殊设计的“接近感应按键”布局以及软件动态调整“接近感应按键”的灵敏度，可以检测到由人体接近引起的微弱电容变化。针对不同的检测距离，需要设计不同的硬件感应区。

如果需要10~20厘米左右的接近感应，可以使用一个导线作为感应区。图 1是Cypress提供的接近感应评估板，白色部分即为导线，通过PCB板上走线与芯片管脚连接。导线的材质和线径没有特殊要求，形状也无需为闭合线圈，但需注意导线周围1.5英寸内不要有金属物体或是地平面，否则会影响感应距离。另外应将导线固定在某一绝缘物体上以免震动引起导线摇晃，摇晃过程中如果导线靠近导电物体则可能引起误触发。

如果机械结构决定无法安装导线，也可以通过在PCB板上布置一根粗铜线实现接近感应功能，图 2按键周围一圈黑色粗线即为接近感应区，与导线式类似，粗铜线也被看做一个“特殊按键”连在一个芯片管脚上。铜线线宽至少需要1毫米，线周围至少1.5到2英寸范围内不能有地平面，以便达到10厘米以上的接近感应距离。

用于接近感应的铜线

产品在实际开发过程中，常常会动态修改需求定义，例如增加1~2厘米的接近感应以点亮系统LED背光，此时如果重新设计PCB布置铜线，无论在成本上还是研发时间上都无法满足要求。CapSenseTM的技术结构使得设计者可以复用已有的触摸按键区实现近距离的接近感应，无需增加新的硬件设计。具体实现方式上有两种，一种称为群组扫描，CapSenseTM可以在扫描时将所有按键并联在一起，此时扫描任意一个按键，都是对所有按键区域的扫描，一旦人体靠近任何一个按键，都会引起触发执行相应的接近感应操作;另外一种方式是动态提高每个按键的灵敏度，使得人体还没有实际接触到按键即可实现触发。这两种方式都可以在不改板的情况下，实现1~2厘米的接近感应，设计者仅需注意电路板上按键区与周围地平面的间隙至少需要1毫米。

3. 溢出检测

溢出检测是使用CapSenseTM针对电磁炉产品增加的额外特性。在电磁炉的使用过程中，锅具中的被加热物可能由于意外或者沸腾溢出，这会造成一些潜在的危险从而损害炉具或伤害使用者。对于使用电容触摸按键的电磁炉，被加热物溢出还可能造成电磁炉按键的误动作，从而给使用者带来风险危险。

溢出检测的基本原理是在电磁炉的面板下方安装了一圈金属物体作为电容传感器，并将其引到处理器的输入管脚。这个电容传感器可以为金属片、金属膜、金属镀层等，如图 3所示。当水溢出落在传感器的上方，会与传感器产生感应电容，CapSenseTM通过检测电容变化判断是否需要停止电磁炉工作以保证系统不会发生危险或是按键发生误触发。

电磁炉工作时产生20K左右的电磁振荡，放置在加热盘的铁质容器由于电磁感应，在容器底部产生涡流，进而生成热量加热锅内食物。在电磁炉加热盘周围放置的金属环必然会将加热用的电磁振荡耦合进检测电路，从而产生噪声。图 4的原始采样数据清晰的反映了噪声的存在，图中初始的一段直线是电磁炉主振荡电路没有工作时采集到的数值,一旦主振荡电路开始工作，采集到的数值有明显的交流干扰,当炉具面板上有水覆盖时，采集数据的平均值比无水时有了一定幅度的提高。

使用低通滤波器将采集的数据进行滤波，可以得到图 5的滤波效果。此时主振荡电路的交流干扰基本已被滤去，与图 4相比，溢出的水产生的信号变化更加清晰。将滤波后电磁炉主振荡电路工作时的采样数据作为参考基准值，然后实时检测当前电容传感器的值，如果当前数值与参考值的差大于某个阈值，即可判定当前面板上有水溢出。由于电路和电容传感器的形状大小直接影响低通滤波算法和阈值的确定，因此这二者都需通过实验方式获得。

4. 防水保护

电容式触摸按键对于水的影响是比较敏感的， 图 6中左侧的采样数据是手指触摸引起的信号变化，右侧的采样数据是水流过感应区表面时的信号变化，对比可以发现水产生的信号变化最大值与手指信号变化相差无几，如果没有特别的处理，水很轻易的就会引起触摸按键的误触发。设计者在定义一个产品时，具有抵抗潮湿环境或是突然出现的水引起的误触发能力是可靠性的关键组成部分，而如果在水膜覆盖感应区时产品仍能正常工作，则进一步具备了与其他产品明显不同的性能优势。

Cypress的CapSenseTM的防水保护电极方案(Waterproof Electrode)可以为产品提供高性能的防水效果，不仅不会发生水引起的误触发，而且在水层完全覆盖在感应区表面时仍能正常工作。设计者只需在设计PCB时增加一个防水保护电极，并将其引到指定的芯片管脚，然后在Cypress的IDE中使能防水保护电极，即可实现高性能的防水，其间无需编写任何一行软件代码，所有的防水保护都是通过防水保护电极，由芯片内部的保护电路完成。

图 7是防水保护电极设计示意图，图中黄色部分是感应按键，绿色部分都是PCB，所有的按键周围都由同一个防水电极包围，并与按键之间保持一定间隙。图中防水电极采用的是实心覆铜，一般在实际应用采用网格覆铜，网格的线宽为7mil，网格的间距为70mil，与按键之间间距至少为1毫米。将防水电极连在指定芯片管脚并在IDE中配置其处于工作状态，当水出现在感应区时可以得到图 8的采样结果。图中左侧是没有使能防水电极的采样数据，右侧是防水电极使能之后的采样数据，可以看出水的影响已经彻底消除，避免了误触发的危险，同时手指触摸的信号变化和无水时没有明显不同，从而使得有水覆盖时仍然能够正常工作。

5. 总结

上述三例都是CapSenseTM在实现基本触摸按键功能之外，为产品增加更多特性的案例，实际上，CapSenseTM还可以实现检测水位，或者在接近感应的基础上增加手势判断等特性。有了Cypress CapSenseTM这一成熟、稳定、可靠的电容检测技术，设计者可以充分发挥想象，设计更加丰富多彩的触摸按键产品。

参考文献

[1]. AN42851: Proximity Detection in the Presence of Metal Objects, Cypress Semiconductor Ltd

[2]. AN2398: Capacitance Sensing-Waterproof Capacitance Sensing, Cypress Semiconductor Ltd.

[3]. AN2292: Layout Guidelines for PSoC CapSense, Cypress Semiconductor Ltd.

[4]. AN2394: CapSense Best Practices, Cypress Semiconductor Ltd.

[5]. CY8C22x45 Technical Reference Manual, Cypress Semiconductor Ltd.