替代机械按键——电容式感应解决方案(转帖)

从机械按钮向电容按钮转型

图4给出了典型的机械按钮用户界面（UI）设计流程。

图4：机械按钮设计流程

电容式按钮替代机械按钮时，设计流程需要增加一些步骤，如图5所示。

图5：电容式感应按钮设计流程

比较设计流程，就会发现设计电容式感应UI需要在两个不同的阶段进行精调，并分析工艺差异。此外，固件开发也不像机械按钮那么直观。

固件：

电容式按钮的固件要实施算法来感应电容变化。固件还需要通过综合技术来处理系统内外部噪声，这些都不是机械按钮实施中要面临的问题。

精调：

精调是任何电容式感应触摸界面所不可避免。精调就是一个确定电容式感应最佳参数值的过程，以确保不同机械构造的界面在不同环境条件下实现最可靠、最高健硕性的性能。这就需要全面了解电容式感应系统在不同条件下的工作原理。

电容式感应系统调节的一个主要目的就是为了可靠地识别传感器触摸与非触摸状态。在信噪比（SNR）计算中：

信号（S）：手指放在传感器上引起的传感器响应变化。

噪声（N）：手指移开时传感器响应的峰间变化。

为了实现可靠的电容式感应性能，信号强度应大大高于存在的噪声。通常我们建议信号至少应为噪声的5倍，也就是说建议最低信噪比为5:1。

精调是一个既费时又费力的反复过程，只要PCB或外覆层发生变化就需要反复调节。

生产微调：

电容式感应性能取决于电容式传感器的物理属性和环境条件。一旦厂商、工艺或环境（如湿度、温度等）发生变化，传感器的寄生电容就会发生变动。这就需要进行微调，同样也需要在生产过程中对样品进行统计分析，从而最大限度地降低因故障造成的产量损失。

在确定设计是否能投入量产之前，需要全面解决所有问题。总体说来，这是一项非常繁琐的工作。如果我们能消除繁琐的调试工作，简化整个过程，显然会缩短产品上市时间，降低系统成本，减少工作量。

生产线测试：

任何即将上市的产品都必须在生产阶段经过测试。电容式感应系统必须在不同设计阶段进行生产线测试，轻松、及时有效地发现问题。我们下面会看到，生产线测试是电容式感应UI设计过程中的一个重要阶段，必须认真执行。

根据生产过程的不同阶段，生产线测试分为三步：

1)        视觉/光学检查

2)        在线测试（ICT）

3)        功能测试

a.        预集成功能测试

b.        集成后功能测试

1)        视觉/光学检查：

这是初步检查，可排出一些有问题的PCB。筛选出用放大镜/显微镜发现有表面贴装技术(SMT)问题的PCB。注意以下瑕疵：

●        起鳞

●        未对齐

●        锡裂

2)        在线测试（ICT）

在线测试指的是在使用过程中验证传感器到器件引脚之间和通信线路到主机之间的物理连接。用“pogo引脚”进行器件引脚和传感器/通信线路之间的电子连接测试。

注意以下问题：

●        通信故障

●        中断线路问题

●        传感器短接到恒定电压

●        传感器之间短接

●        传感器开连

●        LED开连

●        LED短接

3)        功能测试

一旦PCB通过目检和ICT测试，我们建议进行功能测试以节约资金。不同层次的功能测试如下：

a)        预集成功能测试

1.        无外覆层的预集成测试

2.        有外覆层的预集成测试

b)        集成后功能测试

无外覆层的预集成功能测试：

外覆层安装和系统集成前测试电容式传感器功能，减少返工故障成本。我们可用金属手指来测试电容式感应按钮的手指 模拟情况，以减少操作人员的操作差异并确保所有LED/传感器都经过测试。为了节约时间，这项工作可以自动化进行。为了获得最佳结果，金属手指应尽可能多地覆盖按钮表面。图6显示了典型的金属手指大小。

图6：用于生产线测试的金属手指

有外覆层的预集成功能测试：

这是安装外覆层后对电容式传感器功能的测试。测试过程中，用非导电均匀介质连接外覆层到PCB并确保外覆层和PCB之间没有气隙。同时用金属手指来测试电容式感应按钮上的手指 模拟情况，以减少操作人员的操作差异，并确保所有LED/传感器都经过测试。

有外覆层的集成后功能测试：

这是发货前的最后在系统测试。可用金属手指来测试电容式感应按钮上的手指 模拟情况，以减少操作人员的操作差异，并确保所有LED/传感器都经过测试。

解决方案

自动精调

业界现在通过跟踪系统的噪声和环境条件可用创新型方法实现电容式感应子系统的自我调节（即自动监控和设置参数）。自动精调使设备能在加电时根据环境条件和系统机械设计初始化所有电容式感应相关参数，因此自动精调能减轻不同设计和生产阶段的精调负担。

机械按钮替代（MBR）器件：

自动精调和生产线测试在设计中发挥重要作用，但实施起来并不简单。

这里就需要用到MBR器件。MBR器件能为电容式感应实施提供现成的即插即用方法，无需编写代码或精调传感器。从图7的设计流程图就可以看出，采用MBR器件可以省去固件开发等许多不同的设计环节，因此电容式感应按钮设计流程更类似于机械按钮。

图7：MBR设计流程

MBR器件提供自动精调和内建自测试（BIST）等功能，有助于设计和生产线测试。有了这些功能，无需进行器件编程或系统调节。不过，MBR器件不只是一个ASIC，设计人员通过对MBR器件参数进行配置还可自由选择将使用的功能，从而让器件能以特定的方式工作。

广泛说来，有两种配置MBR器件的方法：

●        基于原理图的配置

●        基于寄存器的配置

基于原理图的配置

这种方法直接取代机械按钮。主机无需用I2C或SPI等通信接口连接MBR器件。基于原理图的MBR器件，其功能可通过连接到器件输入引脚的电阻等无源组件进行配置。根据输入引脚状态（例如引脚短接到VDD、引脚短接到接地，以及通过定值电阻接地的引脚），MBR器件中可启用或禁用不同的功能。

设计人员需要做什么？

设计人员仅需要明确需要什么功能，并根据设计要求拿出原理图。一旦有了原理图，就能生成布局并进行开发板的生产。开发板填充后，电容式传感器UI也就成形了。

基于寄存器的配置

电视/显示器等应用的UI其主机与UI控制器互联通信。要替代这类应用中的机械按钮，MBR器件可通过I2C等接口配置。采用机械按钮的现有设计已提供有I2C智能接口，因此用MBR器件替代机械按钮无需额外的智能修改或任何重大的固件修改。

基于寄存器的可配置MBR器件提供一系列寄存器，可供主机写入数据，以配置器件的各种特性与功能，并通过I2C接口读取多种数据。

主机可进行两种类型的配置：

a.        动态影响器件功能的配置：主机写入寄存器时，相应采取的行动在MBR器件特定的已知延迟后立即生效（例如软件复位）。

b.        只在器件复位时才影响器件功能的配置：主机写入寄存器后，主机需发送指令将这些设置保存到MBR器件的闪存存储器中。这些设置只有在复位后才生效。如果寄存器设置不保存到闪存，器件将采用此前闪存中存储的寄存器设置，或者采用工厂的默认设置。

主机需要做什么？

为了配置MBR器件，主机必须写入寄存器以配置器件的特性，复位后生效。主机然后发送指令给MBR器件，要求将设置保存到闪存。下次复位后，MBR器件将根据这些设置工作。

如果用户发现MBR器件不能按预期工作怎么办？原因是什么？器件或许配置错误，也可能是存储在闪存中的设置已经损坏。数据丢失有诸多原因，从而导致器件功能无法预测。配置过程的不同阶段都有可能发生数据丢失：

1.        主机到从设备的通信过程中可能出错，导致配置位损坏。

2.        如果MBR器件存储设置到闪存时断电，闪存中存储的数据可能损坏。

3.        数据存储到闪存中后，如果闪存损坏，也可能导致数据损坏。

为了保持数据的一致性，可在配置过程的不同阶段采取各种校验措施：

1.        为了确保从主机传输到MBR器件的数据被MBR器件成功接收，主机可随数据发出校验和。然后，MBR器件将主机发出的校验和与MBR器件根据接收数据计算出的校验和进行比较。MBR器件随后向主机确认数据是否成功被接收。随后，主机可以决定是重新发送数据还是发出指令，要求将数据存储到闪存中。

2.        接下来检查MBR器件将从主机接收到的数据保存到闪存这一阶段的数据情况。一旦将数据保存到闪存，MBR器件会计算闪存中存储的数据的校验和，并将其与主机发送的原始校验和进行比较。MBR器件随后向主机确认数据是否成功被存储。读取信息时，主机可再次发送数据，或重新发出指令，要求将数据保存到闪存中。

3.        再下一步就是对MBR器件复位后根据闪存中存储的设置采取行动这一阶段的检查。每次复位后，MBR器件都计算闪存中存储的设置的校验和，并将其与闪存保存设置时所存储的校验和进行比较。如果校验和不一致，MBR器件就采用备份或闪存中其它部分保存的原始数据。在极罕见的情况下，两个版本都损坏，这时数据就采用出厂前默认的设置。

这种预防性措施通常被视为断电故障安全机制的一部分。

MBR解决的常见问题：

1.        侧翼传感器抑制（FSS）：

在应用中分清楚彼此靠近的传感器的触摸状态非常重要，这也是电容式感应设计的潜在问题。FSS功能能帮助解决这个问题。如果MBR器件启用这一功能，那么手指接触多个按钮时，只有首个感应到接触的按钮打开。这种功能也用在按钮可能产生相反效果的应用中，比方说用两个按钮进行音量控制的界面。

2.        开关：

为了替代墙上开关这种机械按钮，我们可在MBR器件中启用开关功能。开关功能启用后，每次触摸按钮，器件都会触发对应按钮的LED。

3.        按钮自动复位：

该特性避免金属物体靠近按钮造成按钮锁死。按钮在连续触摸一定时间后被视为关闭，这就是按钮自动复位。

4.        加电自检（POST）：

电容式感应应用开发的一大目标就是通过电容式传感器提高设备在苛刻或敏感型工作环境下的可靠性。前面板的可靠性可通过不同方法改进，包括提高信噪比（SNR），采用EMI抗干扰和ESD保护特性，以及提高电源瞬变和输出瞬变的抗干扰能力等。此外，还必须注意避免固件的不当工作模式。类似的软件技巧包括应用编程接口（API）采用不同的正/负噪声阈值和去抖动计数器等。还有一项预防措施就是在运行时检测电容式感应测量错误。这些错误包括：

●        按钮短接到VDD

●        按钮短接接地

●        按钮间短接

●        按钮断连

●        Σ-Δ调制器外部组件故障，如：

o        调制电容（Cmod）

o        放电电阻（Rb）

这些诊断方法用于为电容式感应设备提供故障防护功能，避免按钮故障产生安全问题。白色家电、汽车和工业电子应用等都需要按钮故障诊断技术，以确保安全工作。

内置的加电自检机制可在每次MBR器件复位后进行，以诊断按钮故障。如果按钮发生故障，可通过通信接口（I2C）给主机发送信息，而如果有与按钮对应的LED，则会在加电自检后闪烁一次，表示有故障发生。

5.        抗噪性

MBR器件采用赛普拉斯SmartSense自动精调等智能算法，在容易受到辐射的环境中提供较高的抗噪性。这种器件还采用高级的软件滤波器来进一步降低噪声。

6.        自动阈值

MBR器件能根据环境中的噪声进行调节，自动设置ON/OFF阈值，从而在高噪声环境中实现稳健可靠的性能。与此同时，开发人员也能根据UI的硬件/机械构造重写算法设置的阈值并设置定制阈值。

7.        灵敏度控制

灵敏度用于表示按钮对手指触摸的敏感程度，这是在按钮上器件能检测到并以此报告按钮为“ON”的最小手指电容。最小手指电容因外覆层的厚度、按钮大小、按钮与器件之间的距离等不同而不同。MBR器件提供多种不同的灵敏度设置。根据外覆层厚度等系统参数，开发商能决定哪种灵敏度最佳。

8.        低功耗睡眠模式和深度睡眠模式

现在许多MBR器件设计用于电池供电的应用。比如，扫描按钮上手指触摸的频率决定着设备的总功耗。对低功耗应用来说，开发人员要降低扫描频率，从而降低设备的平均功耗。就电视机/显示器等MBR功耗并不很重要的应用而言，可保持较高的按钮扫描频率，从而确保极快的手指触摸响应时间。

9.        响应时间：

您或许发现，触摸电视机/显示器上的电源按钮要比其它按钮稍长的时间才能开启电源开关。这是为了将电源开关与其它按钮区别开，并确保电源开关不会被无意打开。MBR器件提供的这种功能也是可配置选项。用户能设置手指触摸按钮多长时间才能让按钮打开。

MBR器件带来的增值：

1.        LED打开时间：

用户松开按钮（手指从按钮移开）时，相应的LED关闭。不过，一些应用需要LED在手指松开后经过一定的延迟再关闭，让人眼可以分别出变化。MBR器件提供的这种延迟也是可配置选项。

2.        LED调光：

LED亮度能够调控以符合环境光条件。MBR器件提供的LED亮度控制也是可配置选项，这样开发人员就能根据环境条件来设定亮度。实现的方法就是用不同占空比的PWM来驱动LED，这也有助于降低系统的整体功耗。

3.        LED明暗渐变：

UI设计的美观效果可通过触摸相应按钮让LED渐明渐暗得到提高。MBR器件使得我们能非常方便地实现明暗渐变。开发人员能设置一定亮度让LED渐明渐暗，也能设置渐明渐暗的频率。

4.        蜂鸣器：

MBR器件通过驱动蜂鸣器绑定引脚上的信号支持音频反馈。音频反馈参数也可配置。蜂鸣器驱动的时间长度以及引脚上驱动的电子信号频率都能控制。

5.        模拟电压输出：

按钮触摸的另一种反馈就是为每次按钮触摸提供不同的模拟电压输出。MBR器件也能提供这种反馈。

6.        LED在待机模式下的亮度：

在UI中，如果环境光线较弱，可能无法看见按钮，这时我们可在低亮度情况下至始至终开启背光LED，以照亮UI中的按钮。开发人员能选择所需的亮度。

7.        主机控制的GPO：

MBR器件除了提供按钮和响应的反馈外还提供一些GPO，主机能通过通信接口发出命令以控制GPO的逻辑状态，这就使得主机能让GPO进行按钮触摸反馈，也可将其用于其他目的。

我们了解了MBR器件如何解决某些具体问题，也了解了MBR器件带来的好处。在第四部分中，我们将讨论有助于利用MBR器件开展系统设计的一些工具。

工具箱

设计出恰当的电容式传感器布局同时保持最终系统信噪比达到5:1，这并非一件简单容易的事情。如果采用MBR器件，开发人员又无法控制器件的每个参数，情况就会进一步复杂化。MBR器件的主要作用之一就是缩短设计时间。但是，让电容式感应设计实现适当的布局、适当的机械设计，这不应该成为瓶颈。所以除了MBR器件之外，最好还能获得一些工具，帮助设计人员开展设计工作，帮助推进每一步设计工作。工具箱还能帮助设计人员验证每个阶段的设计，确保排除设计中所有可能的错误。

图8：MBR设计流程

第一阶段：

最终确定布局之前应考虑的一个关键因素就是按钮尺寸。按钮太小会降低SNR，导致按钮对触摸的灵敏度降低。如果按钮较大，SNR倒是能超过5:1，但按钮会对触摸过于敏感，稍微碰一下按钮就会触发，这也不是一件好事。设计工具箱应有助于我们设置最佳按钮尺寸。按钮尺寸取决于外覆层材料和外覆层厚度，而工具箱应能根据外覆层的属性提出最佳按钮大小建议。工具箱还应让开发人员定义系统噪声，并根据噪声建议按钮尺寸。该工具箱也能考虑输入等系统属性，根据系统支持的最大的寄生电容，建议设计的最大迹线长度和按钮尺寸。

第二阶段：

一旦根据第一阶段的建议完成布局，开发人员就应在进入PCB设计之前借助工具箱验证设计。利用工具箱可计算出实际寄生电容，以此提醒开发人员按钮的寄生电容是否超出了工作范围。

功耗优化是大多数设计的另一大关键要求。这里，工具箱可根据器件参数估算器件功耗，这能帮助设计人员调节参数，根据需要降低功耗。

第三阶段：

根据第二阶段建议提出的设计蓝图转化为最初的原型设计。一旦构建出原型开发板，我们就可借助工具箱验证该开发板是否适合量产。如果设计还不适合投产，那么工具箱可提出建议，明确设计还需要什么规范。根据工具箱建议的修改，开发人员可能需要重制该开发板，也可能无需重制只需修改MBR参数即可。这样，工具箱就发挥了重大作用，有助于避免代价高昂的设计错误。

配置寄存器可配置器件：

如前所述，必须写入MBR器件寄存器以配置器件。直接用I2C通信来配置器件寄存器是一项繁杂的工作。为了便于配置，通常采用如下两种方法：

1.        应用编程接口（API）：

应用编程接口（API）是一个用于连接软件组件，让其彼此通信的接口协议，MBR器件厂商会直接提供API，这些API也包含在主机固件中，因此主机就能配置MBR器件，且无需开发人员学习了解应用层协议如何进行器件配置。

电容式感应厂商提供的API分为高级API和低级API。

高级API又分为三大类：

a.        配置器件

b.        回读系统诊断和生产线数据

c.        在运行时回读传感器状态等数据

这种API可在MBR设计过程中的不同阶段中采用。

低级API通常为通信（l2C）接口读写API。低级API可能需要根据所用主机处理器而更改。通常情况下，大多数厂商都针对每个特定的主机处理器提供低级API。

2、GUI和批量编程：

简化开发人员配置MBR器件工作的另一种方法就是用基于GUI的界面定义设置。这比用API手动配置MBR简单得多。赛普拉斯提供了一种简单而具有革命性创新的工具（EZ-Click定制器）。这种GUI的功能非常强大，能加速多个不同设计阶段的设计工作。通常说来，这种GUI均提供有“配置器件”和“从器件读取数据”等选项。

为了区别不同的设计阶段，GUI可为主机和MBR器件之间传输的不同数据类型设置不同的标签。典型的分类如下：

1.        配置标签

2.        调试标签

3.        生产线测试标签

在设计验证阶段采用配置标签表示配置完成，GUI载入设置到原型电路板上。调试标签随后发挥作用，检查设计是否满足所有要求，电容式感应是否正常工作。如果原型设计无法工作，那么调试标签可用来进行调试并查找问题所在。

一旦原型设计正常工作，设计就完成了，则可用GUI生成配置文件。量产期间把GUI生成的配置加载到每个MBR器件中可能是个相当繁琐的工作，这可以由具有资质的编程机构利用配置文件轻松配置上百万的器件。

器件配置完成后，可在生产线测试中采用生产线测试标签，读出SNR等数据用以检测传感器是否达标。