触摸按键

1万 · 2016-9-24 22:52

22.1.1 常见的电容触摸屏
对于电子产品设计人员而言，过去机械式开关一直是他们的首选。因为
机械式开关提供不少应用优势，如简单、直接、成本低、使用方便，能为用户
提供真实的物理反应等等。但同时，机械式开关也存在诸多缺点，如磨损问题
导致长期耐用性差，设计灵活性不高，容易受潮湿、水、油污或灰尘的影响，
存在系统噪声、反应速度及仅适合低速工作等问题。有鉴于此，设计人员也在
探寻其它的设计选择，如触摸传感技术。
实际上，触摸传感器已经被广泛使用很多年了。但直到近些年来，随着
触摸技术在便携设备显示屏应用的爆发性增长，这种技术越来越受关注，由此
展开的技术开发及创新也越来越多。设计人员不仅争相利用触摸传感技术来为
手机、平板电脑乃至笔记本电脑用户提供更加先进、智能的用户接口，现在越来越多的触摸传感技术用于数码相框、数码相机、游戏机、
安防、汽车仪表盘及白家电等众多应用。
相较于机械式按键和电阻式触摸按键，电容式触摸按键不仅耐用，造价
低廉，机构简单易于安装，防水防污，而且还能提供如滚轮、滑动条的功能。但是电容式触摸按键也存在很多的问题，因为没有机械
构造，所有的检测都是电量的微小变化，所以对各种干扰敏感得多。新唐公司针对家电应用特别是电磁炉应用，推出了一个基于 M451
系列 32 位通用微控制器平台的电容式触摸感应方案，无需增加专用触摸芯片，仅用简单的外围电路即可实现电容式触摸感应功能，
方便客户二次开发。
电容式触摸感应按键的基本原理是当人体（手指）接触金属感应片的时候，由于人体相当于一个接大地的电容，因此会在感应片
和大地之间形成一个电容，感应电容量通常有几 pF 到几十 pF。利用这个最基本的原理，在外部搭建相关电路，就可以根据这个电容
量的变化，检测是否有人体接触金属感应片。

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二、解决方案原理
一般实际应用时，都是用图 22.1.5所示的感应弹簧来加大手指按下的面积。感应弹簧等效一块对地的金属板，对地有一个电容
CP，而手指按下后，则再并联一个对地的电容 CF，如下图所示。

现在为电路图 22.1.3进行说明，CP 为金属板和分布电容，CF 为手指电容，并联在一起与C1 对输入的 300KHz 方波进行分压，
经过 D1整流，R2、C2 滤波后送给 ADC，当手指压上去后，送去给 ADC的电压降低，程序就可以检测出按键动作。
按正常情况来说，只要具有 ADC功能的单片机就可以使用上述的解决方案实现触摸按键的实现，但有一点要注意的是，上述方案
无疑是增加了硬件的设计成本，新唐公司的M451 系列芯片为我们提供了触摸按键的完整解决方案，触摸按键数目达到 16 个，硬件设
计简单。

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功能描述
电容触摸按键传感控制器支持多种可编程的灵敏度等级，应用于手指直接触摸或有绝缘体包裹的电极靠近感应。它支持最多 16
个带单次扫描或可编程周期扫描的触摸按键，并且任何一个按键都可以唤醒系统以用于低功耗应用。
当一个手指触摸到键盘，通过触摸按键控制器感应到键盘的电容值会比不触摸时大。电容值可通过触摸按键控制器的模拟前端电
路测量，用户可以通过读取感应电容值来区分是否有手指触摸事件的发生。
每个通道有一个高/低感应阀值控制，支持按键自动扫描直到有任何满足阀值设定的情况出现。因此，由于不需要产生触摸按键
控制器中断，处理器可以保持正常运行或者在掉电模式下节约电源消耗。
触摸按键控制器灵敏等级是可编程的。为用于更高灵敏度或扫描速度，按键扫描时间是可编程的，同时具有唤醒 CPU功能。
注：在本章节中寄存器名中的X 表示通道 0 到 16。

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一、特性
 支持至多 16 个触摸按键.
 支持灵活设置参考通道，至少需要设置一个参考通道。
 每个通道灵敏等级可编程。
 可编程扫描速度用于不同应用。
 支持任意触摸按键唤醒以用于低功耗应用。
 支持单次按键扫描和可编程周期按键扫描。
 可编程按键中断选择用于按键扫描结束，按键扫描可以带也可以不带阀值控制。

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三、按键扫描方式
A. 单次扫描模式
在这个模式中，用户需要将 TKEN (TK_CTL[31])和SCAN (TK_CTL[24])置 1，并且根据灵敏度的应用要求来设置TK_CTL
的其他位和 TK_REFCTL, TK_CCBDAT0, TK_CCBDAT 1, TK_CCBDAT 2, TK_CCBDAT 3, TK_CCBDAT 4, TK_IDLESEL 和
TK_POLCTL。通过寄存器 TKSENx (TK_CTL[16:0])的相应位使能后的那些通道，将在扫描初始化完成后，依次被成功扫描。一旦
通道开始扫描，BUSY (TK_STATUS[0])将被置 1，直到扫描完成。扫描完成后寄存器 SCIF (TK_STATUS[1])将被置 1，并且感
应的数据存放在TK_CTL中使能的那些通道的数据寄存器TK_DATn中， TK_DATn读有效， n 表示数字0到4。通过设寄存器SCINTEN(TK_INTEN[1])为高，SCIF (TK_STATUS[1])可产生中断。

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B. 周期扫描模式
这个模式可以支持自动周期扫描。用户可以设置 TKEN (TK_CTL[31]) 和 TMRTRGEN (TK_CTL[25]) 为高。此外根据应用
要求设置 TK_CTL 其他位和 TK_REFCTL, TK_CCBDAT0, TK_CCBDAT 1, TK_CCBDAT 2, TK_CCBDAT 3, TK_CCBDAT 4,
TK_IDLESEL 和 TK_POLCTL，用户必须设定适当的Timer0 来决定扫描间的间隔时间周期。另外用户可以在低功耗系统中用按键扫
描唤醒功能。通过设置适当的高/低阀值控制，周期扫描甚至在系统睡眠状态下都保持工作，直到系统被中断唤醒，即手指触摸达到阀
值要求。按键扫描停止工作直到中断标志复位。
四、触摸按键扫描的参考通道
重点注意：在 PCB Layout 时需注意至少有一个通道作为参考通道。如果用户没有指定参考通道，TK16 将被自动默认为参考通
道。在应用中没有指定物理参考通道，触摸按键控制器将失灵。

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五、IDLE 状态和极性控制
这些键盘在 IDLE 状态不会总是保持感应，他们的输出电平可以在寄存器 TK_IDLESEL 中预设。对于另一种感应配置，他们输
出电平分离为两个状态：IDLE 状态和极性状态（如果他们在寄存器 TK_POLCTL 激活极性控制）。他们的输出电平是在寄存器
TK_POLSEL 中预设。
六、感应时间
感应时间是指每次键盘感应所需的时间，它由SENPTCTL (TK_REFCTL[29:28]) 和 SENTCTL (TK_REFCTL[25:24])组成。
感应时间短则灵敏度低和电源消耗低，反之亦然。
感应时间 = SENTCTL × SENPTCTL
七、灵敏度配置
灵敏度可以通过设置适当的感应时间来调整。另外通过预设 CBPOLSEL (TK_POLCTL[5:4])来适当选择电容器组极性源也会影
响灵敏度。用户可以选择 AVCCH 作为电容器组极性源，为得到多种灵敏度选择还可调整 AVCCH到适当电平。 AVCCH电平由 AVCCHSEL
(TK_CTL[22:20])预设。

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八、扫描中断类型
A. 无阀值控制扫描完成中断
当按键扫描完成，SCIF (TK_STATUS[1])就会被置位，如果 SCINTEN (TK_INTEN[1])被置1，一个中断产生。
B. 带阀值控制扫描完成中断
与 SCIF (TK_STATUS[1])不同，当且仅当相应的扫描结果达到它控制要求的阀值时 TKIFx (TK_STATUS[24:8])才会被置
位。另外，当按键触摸/释放电势被检测到时，设置 SCTHIEN (TK_INTEN[0])而不是 SCINTEN (TK_INTEN[1])来产生中断。
边缘触发模式或电平触发模式都可以通过 THIMOD (TK_INTEN[31])选择。每个通道的高/低阀值控制可以通过寄存器 TK_THm_n
预设，m,n 表示两个相邻通道号，如TK_TH0_1。
C. 边沿触发模式
这个模式中，当且仅当任何一个相应的 TKDATx自从大于 LTHx 后第一次大于 HTHx，或者自从小于 HTHx 后第一次小于LTHx，
TKIFx 被置1。HTHx表示按键触摸产生电势，LTHx表示按键电势发生释放。如图 22.2.2所示，这个模式仅当按键触摸/释放电势时非常利于产生中断，并且减少系统电源消耗。

1万 · 2016-9-24 23:00

D. 电平触发模式
在这替换模式中，如果 TKDATx大于 HTHx 时 TKIFx被置 1。TKDATx 大于 HTHx表示按键触摸产生电势。如图 21.2.3 所示。

触摸按键可以很容易实现在低功耗系统中不停的扫描。用户可以用 Timer0 唤醒触摸按键控制器来做周期扫描。触摸按键控制器
只在唤醒时需要 HIRC 用于按键扫描，然后保持系统在掉电状态。当扫描到按键触摸事件发生，则产生中断，否则触摸按键控制器将
结束按键扫描不产生中断并且让自己进入掉电模式。
A. 通过按键触摸/释放唤醒
使能阀值控制器来产生中断，系统保持掉电状态直到任意按键触摸/释放电势被检测到。
B. 通过任意按键触摸唤醒
为了节省系统电源消耗，用户可以通过设置 SCANALL (TK_REFCTL[23])来设置任意键唤醒功能。所有通道被使能并扫描（但
不指定为参考通道），并且扫描数据在 TKDAT0 (TK_DAT0[7:0])中有效。CCBDAT0 (TK_CCBDAT0[7:0]) 可能与正常值不同，
需要单独校准。通过这个模式，相邻检测也可以实现。

1万 · 2016-9-24 23:01

在 PCB 上构建的电容器，电容式触摸感应按键实际上只是 PCB 上的一小块“覆铜焊盘”，触摸按键与周围的“地
信号”构成一个感应电容，当手指靠近电容上方区域时，它会干扰电场，从而引起电容相应变化。根据这个电容量的变化，可以检测是
否有人体接近或接触该触摸按键。接地板通常放置在按键板的下方，用于屏蔽其它电子产品产生的干扰。此类设计受PCB 上的寄生电
容和温度以及湿度等环境因素的影响，检测系统需持续监控和跟踪此变化并作出基准值调整。基准电容值由特定结构的 PCB产生，介
质变化时，电容大小亦发生变化。

1万 · 2016-9-24 23:03

焊盘面积不能过大，过大的焊盘会增加噪声，建议焊盘面积为 10mm x 10mm 以上。
走线长度不能大于 30cm，宽度不小于0.15mm(6mil)
选择参考触摸按键时推荐以通道 7、通道 8 或通道 16 达到更高的灵敏度，如果选择其他通道作为参考，也不影响实际效果。焊盘面积默认 2mm x 2mm 就可以了，太大的焊盘会增加噪声，降低灵敏度
触摸按键的焊盘若有过孔，那么该过孔必须贴近焊盘边沿或在焊盘的中心位置如下图 22.3.4。同时过孔不能太多，太多的过孔会增加分布电容，影响触摸按键的灵敏度。