靜電電容式觸摸檢測技術

劉彥珺 趙豐

瑞薩電子（中國）有限公司 北京 100191

1 引言

利用人體和電極之間產生的靜電電容進行工作的電容式觸摸開關，最初被應用于智能手機，隨后又被廣泛地應用于家電產品、AV機器、汽車以及工業(yè)設備。觸摸開關的組成無需機械部件，使用起來非常靈活，甚至可以安裝在堅硬的曲面上。本文基于瑞薩電子的靜電電容式觸摸技術，介紹了觸摸開關檢測的基本原理以及抗干擾技術等內容。

2 觸摸開關檢測原理簡介

靜電電容式觸摸開關通過捕捉人體與電極之間靜電電容（1pF以下）的微弱變化，判斷開關的ON/OFF狀態(tài)。有很多種方法可以將靜電電容量轉換為開關的ON/OFF狀態(tài)。其中最簡單的方法是利用靜電電容和電阻形成低通濾波器（LPF），通過測量充電/放電常數(shù)的變化判斷靜電電容的變化，這種方式被稱為張馳振蕩法。因其電路簡單，無需專用的靜電電容測量電路，而被廣泛應用。但是這種方法的抗噪聲性能偏弱，有時會由于照明燈具或家電產品的逆變噪聲而發(fā)生誤判。

瑞薩電子開發(fā)的靜電電容式觸摸檢測方法，利用開關電容濾波器（SCF）將靜電電容量轉換為電流量，對該信號進行放大和數(shù)字化處理后，根據(jù)它判定開關的ON/OFF狀態(tài)。這種方法具有靈敏度高，抗噪聲性能強的優(yōu)點。具體的檢測流程如圖1所示，圖中“序號”表示本文中的章節(jié)號。

2.1 靜電電容的發(fā)生

靜電電容發(fā)生的機理如圖2所示。電極和其周圍的導電體（地線、金屬框等）之間存在寄生電容（Parasitic Capacity: Cp）。當人體接近、觸摸電極時，人體和電極之間通過手指產生新增的靜電電容（Finger Capacity: Cf），并通過可以導電的人體和大地連接，如圖2中紅線所示。

電極上產生的靜電電容的總容量（Total Capacity），如下：

Total Capacity ＝ Cp + Cf

靜電電容式觸摸開關按照一定周期循環(huán)測量電極的靜電電容量，并根據(jù)人體接觸時產生的靜電電容增加量Cf，判定觸摸開關的ON/OFF狀態(tài)。

2.2 靜電電容－電流的轉換

如2.1小節(jié)所述，將人體與電極之間產生的靜電電容量轉換為電流量的方法使用了開關電容濾波器（Switched Capacitor Filter: SCF）。如圖3所示，SCF是由2個開關、控制2個開關交互ON/OFF動作的控制脈沖、電源以及電容組成的。

SW1和SW2在控制脈沖的作用下，一個開關ON時，另外一個開關OFF。如圖3中的左圖所示，當SW1=ON；SW2=OFF時，電容充電。隨后，如圖3中的右圖所示，切換到SW1=OFF；SW2=ON的狀態(tài)后，電容放電。流經電容的電流i、開關的切換頻率f、電容值c和電路供電電壓v之間的關系，如下式所示：

i=fcv

如果f和v固定不變，電流i和電容c成正比。因此，可以使用SCF將人體接近時產生的靜電電容量的變化轉換為電流量的變化。通過調整切換頻率f和供電電壓v，可以改變靜電電容變化量和電流變化量之間的比例系數(shù)。

2.3 電流的數(shù)值化

電容的容量值轉換為成比例的電流量后，經過電流—頻率轉換電路轉換為和電流量成比例的振蕩脈沖。然后，計數(shù)器對振蕩脈沖計數(shù)，進而將電流轉換為成比例的數(shù)字值。

電流的數(shù)值化流程，如圖4所示。對SCF的電容循環(huán)執(zhí)行充放電操作時，電容中會產生交流電流。后續(xù)的電流平滑電路將交流電流轉換為直流電流后，電流輸入到電流振蕩器，轉換為頻率和輸入電流成比例的振蕩脈沖。脈沖計數(shù)器對一定時間內的脈沖計數(shù)，并保存計數(shù)結果。

2.4 開關的ON/OFF判定

如2.1小節(jié)中所述，自電容方式是通過檢測靜電電容量的增加來判斷人體是否接觸電極的。按照一定周期循環(huán)執(zhí)行2.1～2.3小節(jié)中介紹的靜電電容量的測量，可以根據(jù)測量值的變化判定人體是否接觸電極。

手指接近和離開電極時，開關的ON/OFF判定流程如圖5所示。靜電電容量的測量按圖5中所示的時序每隔一定時間執(zhí)行一次。計測值如圖5中藍線所示，當手指遠離電極時，保持為一定的計數(shù)值；當手指接近電極時，靜電電容量和計數(shù)值逐漸增加。當手指再次遠離時，計數(shù)值逐漸下降并保持為一定的數(shù)值。把手指遠離電極時的計數(shù)值作為基準值，如圖5中綠色虛線所示。在基準值基礎上疊加一個閾值，作為臨界值。當計測值超出臨界值時，判定開關為ON；當計測值低于臨界值時，判定開關為OFF。由此，可以實現(xiàn)靜電觸摸開關的ON/OFF切換。

此外，改變閾值的大小可以調整觸摸開關的靈敏度。改變計測周期和計算多個計數(shù)值的平均值，可以抑制開關的抖顫，調整開關的反應速度。

3 硬件及軟件抗干擾技術

靜電電容式觸摸開關是基于靜電電容量的微弱變化而工作的。因此，設計時必須盡量避免噪聲和電源波動的影響。

瑞薩電子提供的Touch解決方案，不僅在電容觸摸傳感單元（簡稱：CTSU）中內置了多種噪聲抑制電路，同時還提供了用于抑制噪聲的軟件濾波器，以下為CTSU模塊的硬件抗干擾功能和軟件抗噪聲技術的介紹。

圖1 靜電電容式觸摸開關的檢測流程

圖2 靜電電容的發(fā)生

圖3 SCF構成及電容的充放電動作

圖4 電流數(shù)值化的流程

圖5 開關的ON/OFF判定

圖6 同周期噪聲的影響和180°相移對同周期噪聲的平衡化

圖7 SCF驅動脈沖和倍頻噪聲的示例

3.1 硬件CTSU模塊的抗擾度

為了抑制由輻射、傳導引入的噪聲，CTSU內置了多種噪聲抑制電路，以穩(wěn)定靜電電容的測量。

3.1.1 SCF時鐘的相移

為了使用SCF將靜電電容量轉換為電流量，CTSU按照一定的周期切換SCF開關的ON/OFF狀態(tài)，實現(xiàn)對外部電容充電/放電的循環(huán)操作。此時，如果在電極上混入和SCF開關同周期的噪聲，并且噪聲的波峰/波谷與充電/放電期間始終一致，那么電流會隨噪聲相應增加或減少，進而可能造成測量無法正確進行。作為解決同周期噪聲的對策，CTSU內置了SCF驅動脈沖的相移電路。通過反轉驅動脈沖的相位，防止驅動脈沖和噪聲的波峰/波谷同相位。相移由多項式計數(shù)器決定，1次計測中，SCF脈沖的相移次數(shù)和180°相移次數(shù)要一致。

同周期噪聲的影響和180°相移對同周期噪聲的抑制作用，如圖6所示。充電時如果SCF驅動脈沖和噪聲的波峰同相，噪聲產生的電流分量會疊加到電流的充放電波形上。此時，充電電流會因噪聲而增加，造成計測結果大于實際容量。如果噪聲產生的容量大于手指接觸所產生的電容增加量，就會發(fā)生由于噪聲的干擾，即使無觸摸動作，判定結果也為ON的誤判。因此，需要按照一定的規(guī)則對SCF驅動脈沖執(zhí)行180°相移，通過反轉驅動脈沖和噪聲的同步關系，平衡因噪聲造成的電流量增減。多項式計算器的次數(shù)和頻率，可以通過CTSU的寄存器調整。

此外，位移對策不僅可以抑制同頻率的噪聲，對頻率為驅動脈沖頻率奇數(shù)倍的噪聲也同樣有效。

3.1.2 SCF驅動脈沖的邊沿擴散

噪聲頻率是SCF驅動脈沖頻率的整數(shù)倍時，驅動脈沖的邊沿會和噪聲同步，對靜電電容的測量造成影響。對于如圖7所示的噪聲，可以利用和驅動脈沖非同步的信號對SCF驅動脈沖的邊沿做歸一化處理，擴展邊沿頻率。如前所述，將調制后的電流輸入到ICO for spread spectrum，產生歸一化所用的脈沖，可以避免SCF驅動脈沖與噪聲同步，如圖8所示。

3.2 軟件對策

CTSU內置的抗干擾電路無法消除數(shù)kHz以下的低頻噪聲。數(shù)kHz頻域的低頻噪聲需要通過軟件方法消除。以下舉例說明抑制低頻噪聲的軟件對策。

3.2.1 漂移校正處理

觸摸檢測的結果會受到溫度、濕度、材料老化等環(huán)境變化的影響。這些頻率為數(shù)kHz以下的緩慢變化，很難通過硬件處理。因此，需要通過軟件積分的方法抑制這些低頻噪聲的干擾。

漂移校正的工作原理如圖9所示。如前所述，基準值以及在其基礎上生成的ON/OFF閾值是由軟件計算生成的。計測值和生成的閾值逐次比較，進而判定觸摸或非觸摸（ON/OFF）。計測值積分運算后的結果取平均值作為基準值，可以平緩環(huán)境變化對計測值造成的變動。變更積分運算所用的計測值的個數(shù)，可以調整對環(huán)境變化的適應性。

此外，當判定結果為ON時，暫停漂移校正處理；當后續(xù)的判定結果出現(xiàn)OFF時，再重啟漂移校正處理。如果判定為ON時繼續(xù)執(zhí)行漂移校正處理，長時間的觸摸動作會造成基準值逐漸接近計測值，并最終等于計測值。這時，會出現(xiàn)結果為OFF的誤判。因此，當判定結果為ON時，要暫停漂移校正處理，防止結果誤判。

3.2.2 隨機噪聲的對策

為了抑制隨機噪聲對計測值的干擾，軟件中增加了對計測值進行平滑處理的軟件濾波器。以下通過實例對軟件濾波器進行說明。

（1）平滑濾波器

平滑濾波器的實例如圖10所示。在本例中，使用本次計測值及前3次計測值（共計4次）的平均值作為本次檢測的計測值。通過調整計算平均值所用的計測值的個數(shù)，可以抑制不同頻率的噪聲。例如，計測周期=20ms時，為了抑制10Hz的噪聲（噪聲周期=100ms），需要使用5個以上的計測值來計算平均值。需要注意的是，用于計算平均值的計測值個數(shù)越多，觸摸鍵的反應速度越慢。

（2）上限濾波器

上限濾波器首先比較本次計測值和前次計測值。如果二者的差值大于預先設定的差值上限，則將前次計測值與差值上限之和作為本次的計測值。當系統(tǒng)中出現(xiàn)爆發(fā)式噪聲時，計測值會出現(xiàn)劇烈的變化。使用上限濾波器，能夠實現(xiàn)平穩(wěn)計測值的作用。通過限制計測值的急劇增減，抑制因噪聲造成的觸摸/非觸摸的誤判。由于上限濾波器削減了噪聲的峰值，因此在抑制噪聲方面，比前面介紹的平滑濾波器更為有效。但同樣需要注意的是，設定時縮小差值的上限/下限，會增加觸摸檢測的時間，從而降低觸摸鍵的反應速度。

3.2.3 抖顫噪聲的對策

和機械觸點型開關相同，使用觸摸鍵有時也需要消除抖顫。以下說明消除抖顫的對策。

（1）N次一致法

判斷觸摸鍵ON→OFF、OFF→ON的狀態(tài)變化時，如果連續(xù)N次的判斷結果均一致，即N次的判斷結果均為ON或均為OFF時，判定為ON或者OFF。增加連續(xù)一致的次數(shù)N，可強化抑制抖顫的效果，但會降低觸摸鍵的反應速度。

（2）多數(shù)一致法

圖8 通過擴展時鐘對SCF驅動脈沖歸一化

圖9 漂移校正處理

圖10 平滑濾波器的示例

累計一定時間內的ON或者OFF的次數(shù)，將次數(shù)多者作為本次的判斷結果。和上述的N次一致法相比，多數(shù)一致法的判斷速度更快，但去抖顫能力相對較低。

4 結論

利用靜電電容式觸摸檢測技術，可以減少機械部件的使用，降低成本，并可靈活應用在各種面板上。電容式觸摸技術在使用時需要特別注意抗干擾的處理。分別針對不同噪聲干擾頻段，結合使用軟、硬件抗干擾措施，可以有效提高靜電電容式觸摸檢測系統(tǒng)的可靠性。