PSoC3、5的触摸

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1.1 摘要
本文档为在  PSoC 3  和  PSoC 5  系列器件中构建  CapSense  应用程序提供设计指导。它面向熟悉电容式感应技术并且
为其应用选择了  PSoC 3  和  PSoC 5  系列器件的设计工程师。若要全面了解  CapSense  技术，请参见  CapSense  入门，
查看本文档包含的一般设计指南与完整的产品供应。
1.2 赛普拉斯  CapSense 文档体系
图  1 -1  和表1 -1 汇总了赛普拉斯  CapSense

  的文档体系。开发人员通过这些资源能够快速访问成功完成  CapSense
产品设计所需的信息。图  1 -1 显示的是典型的电容式感应产品设计周期流程；本指南中的信息与突出显示为绿色的主
题关联性最大。表1 -1 提供图 1 -1 中每个编号任务的支持文档链接。

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图1

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图2

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1.3 PSoC 3  和  PSoC 5  系列的  CapSense 特性
PSoC 3  和  PSoC 5  是真正的可编程嵌入式片上系统，在同一芯片中集成了可配置的模拟和数字外设功能、存储器和微
控制器。由于具备高度灵活性，PSoC 3  和  PSoC 5  在实现  CapSense  的同时也可实现多种其他功能。支持此灵活性的
功能主要有：
器件功能
 PSoC 3  配有  67 MHz 8051 CPU；PSoC 5  配有  67 MHz ARM Cortex- M3 CPU
 PSoC 3  配有高达  64 KB  的闪存、8 KB SRAM  以及  2 KB EEPROM ；PSoC 5  配有  256 KB 的闪存、64 KB
SRAM 、以及  2 KB EEPROM
 24 通道  DMA
 最多  72 个  I/O  引脚
 低功耗模式
 PSoC 3  在睡眠模式下的电流为  1 µA；PSoC 5  在睡眠模式下的电流为  2 µA
 PSoC 3  在休眠模式下的电流为  200 nA；PSoC 5  在休眠模式下的电流为  300 nA
 模拟
 具有  8  至  20 位分辨率的可配置  Delta-Sigma ADC
 最多四个比较器、运算放大器、DAC 和多功能模拟模块
 PSoC 3  具备  0.1% 的内部带隙电压参考
 数字
 最多可有  4  个  16 位可配置定时器、计数器和  PWM  模块
 最多  24 个基于可编程逻辑器件  (PLD)  的通用数字模块  (UDB)
 各种封装：QFN、SSOP 和  TQFP
 任何  GPIO 都具有  LCD 直接驱动功能，最多可驱动  46 × 16  行
 I
2
C、UART、全速  USB、SPI  和  CAN 通信接口

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CapSense 特性
 支持  CapSense  按钮、滑条、矩阵按钮和接近传感器的组合
 支持最多  61 个电容式传感器、全部  GPIO 引脚均支持  CapSense
 通过集成式  API  开发固件
 支持防水设计
 双通道设计：资源充足，可同时扫描两个传感器
 SmartSense™  自动调校
 在加电或运行期间自动设置和监测调校参数
 设计的可移植性  —  对用户界面设计中的更改自行调校
 补偿运行期间产生的环境变化
 检测触摸低至  0.1 pF

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2.1 CapSense 基本原理
CapSense  是一种触摸感应技术，用于测量将其指定为传感器的各个  I/O  引脚的电容。如图2 -1 所示，各个传感器引脚
的总电容可以建模为在同一设计中包含  Cx1 、Cx2 至Cxn 等  n  个传感器的电容值的等效集总电容器。CapSense  器件
的内部电路将各个Cx 的大小转换为数字代码进行保存和处理。
CapSense  技术要求将外部电容  CMOD  连接到器件的某个引脚。

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图3

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图2 -2 显示如何使用走线、过孔或在必要时同时使用二者将每个传感器  I/O  引脚连接至传感器板。外覆层是传感器板上
面的非导电性覆盖层，这构成了该产品的触摸式接口。当手指与外覆层接触时，人体组织的导电性以及巨大的质量会等
效产生一平行传感器板的接地导电层。此排列构成一个平行板电容器，其电容如下：
   E0ErA
Cf = -------------
         D
                                                                                                                  公式 1
其中：
ε0
  =  空气介电常数
εr
  =  外覆层的绝缘常数
A =  手指与传感器板外覆层的接触面积
D =  外覆层的厚度

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手指未接触传感器时的传感器电容称为寄生电容  CP。寄生电容由  CapSense  器件内部寄生电容与耦合电场共同产生，
其中后者是在传感器板、走线和过孔、以及接地层等系统中的其他导体、其他走线、产品机壳或外壳中的任何金属之间
耦合产生的。由于寄生电容  CP 和手指电容  CF
  均用于连接传感器引脚与地面，因此两者彼此平行。因此，当手指接触
传感器时的传感器引脚的总电容  CX  是寄生电容  (CP)  和手指电容  (C
F
)  的总和。
当手指未接触传感器时，传感器引脚总电容为：
P X
C C =                                                                                                                            公式 2
当手指接触传感器时，传感器引脚总电容等于  CP  与  CF
  之和。
F P X
C C C + =                                                                                                                   公式3
CapSense  器件将称为原始计数的数字计数表示为  CX。手指接触通过原始计数的增加来测定。一般情况下，CP  的值远
大于  CF
  值。CP  的范围通常为  6 pF 至  15 pF ，但在极端情况下可以高达  45 pF 。CF
  的范围通常为  0.1 pF 至  0.4 pF 。
调校  CapSense  系统时，CP 的大小至关重要。要获得最佳性能，CP  应尽量保持较低数值。

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图3

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2.2 CapSense 感应方法 —  CapSense Sigma Delta (CSD)
CapSense Sigma Delta (CSD) 是一种电容式感应方法。CSD 方法可提供比其他感应方法更佳的性能。图2 -3 所示为
CSD 方法的框图。CSD 方法要求具备一种名为调制电容  (CMOD)  的大积分电容器。传感器电容  CX  同时连接到开关
Sw1 和  Sw2 ，从而形成开关电容模块。开关  Sw1 连接  CX  到  CMOD，而开关  Sw2 连接  CX  与地面。Sw1 和  Sw2 交替开
关，不会产生重叠。带有开关  Sw1 和  Sw2 的  CX  可为  CMOD  提供放电路径。
恒流源通过开关  Sw3 连接至  C MOD。当关闭  Sw3 时，电流源为  CMOD  充电。Sigma delta 转换器可将  CX  的电容转换为
数字计数。CMOD  作为输入信号连接到  sigma delta 转换器。基于其输入，sigma delta 转换器将控制开关  Sw3 。Sigma
delta 转换器控制该开关以便将  CMOD  的平均电压维持在参考电压的水平。控制开关  Sw3 的  Sigma delta 控制器的输出
在  图2 -3 中显示为“比特流”。比特流表示开关  Sw3 的占空比。
开关  Sw3 的占空比与  CX  值成正比。例如，较大的  CX  值将产生较大的  CMOD  放电流。要将  CMOD  电压维持在参考电压，
sigma delta 转换器应增大 Sw3 的占空比。

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使用计数器将比特流转换成数字值，即原始计数。原始计数由高级算法进行解析，以求解传感器的状态。图2 -4 所示为
一段时间内的原始计数图。当手指接触传感器时，CX 增大 CF ，且原始计数将成同比例增大。通过比较原始计数与预定
阈值之间的差值，固件中的高级决策逻辑将决定传感器是处于 On（开启）还是 Off（关闭）状态。

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有关赛普拉斯 CSD 感应技术的深入探讨，请参见 PSoC 3、PSoC 5 体系架构 TRM。

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2.2.1 CSD 方法的其他形式
CSD 方法的实现有多种形式。图2 -3 所示为“IDAC  源电流方法”框图。
以下所示为  CapSense CSD 的其他形式。
IDAC  灌电流方法：  在此方法中，IDAC  对  CMOD  放电而传感器对  CMOD  充电。
外部电阻方法：除了使用外部电阻取代  IDAC  对  CMOD  放电之外，该方法基本上与  IDAC  灌电流方法相似。注：此方法
因为不需要使用  DAC，从而节省了  资源，但是需要外部电阻的协助。外部电阻称为“泄露电阻”。
这三种实施形式将在电流源方法一节中详细讨论。

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2.3 SmartSense™ 自动调校
CapSense  系统的硬件配置为通过扫描传感器和固件来处理原始数据。CapSense  系统的硬件和固件拥有若干参数，可
用于确定  CapSense  系统的运行方式。这些参数应调校为最优值，以使  CapSense  系统实现最佳性能。调校过程是确
保正常的系统运作和愉快的用户体验的关键步骤。
SmartSense™ 是由电容感应技术领域的全球领导者赛普拉斯研发的一项先进技术。SmartSense  是一种精密算法，可
自动优化多媒体按钮、打印机、蓝牙耳机等一系列应用中的  CapSense  性能。目前市场上常见的众多微控制器解决方
案均需要客户对多个参数进行识别和优化，这使调校过程变得相当耗时。SmartSense  使赛普拉斯  CapSense  成为市
场上最简单易用的解决方案，可以显著缩短产品的上市时间。
SmartSense  也称为自动调校。有关详细信息，请参见自动调校与手动调校一节。

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PSoC 3  和  PSoC 5  器件是可编程器件，具备一系列丰富的模拟和数字资源。这些器件通过多种独有特性实现
CapSense_CSD 方法。由于这些器件非常灵活且资源丰富，因此除  CapSense  之外，还可在系统中执行多种其他功能。
在  PSoC 3  和  PSoC 5  中实现  CapSense_CSD阐释了在  PSoC 3  和  PSoC 5  器件中实现  CapSense_CSD 的方式。
PSoC 3  和  PSoC 5 CapSense  设计的独有特性阐释了  PSoC 3  和  PSoC 5  器件提供的  CapSense  所具备的独一无二的
特性。CapSense PLUS 介绍 PSoC 3  和  PSoC 5  如何在实现  CapSense  的同时执行系统中的多种其他功能。

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3.1 在 PSoC 3  和  PSoC 5  中实现  CapSense_CSD
图3 -1 显示  CapSense  如何在  PSoC 3  和  PSoC 5  器件中实现  CSD 方法。请参见  CapSense  感应方法  —  CapSense
Sigma Delta (CSD)了解  CSD 方法的工作原理。大电容  CMOD  外部连接到  PSoC 3  或  PSoC 5  器件。传感器电容  CX  通
过与开关  Sw1 和  Sw2 连接形成开关电容。PSoC 3  和  PSoC 5  拥有多达  4  个  DAC 资源。CapSense  使用其中一个
DAC 来实现电流源。开关由非重叠的时钟（开关时钟）进行控制，如下图所示。称为模拟复用器总线  (AMUXBUS)  的
模拟总线同时连接  CMOD、CX 、电流源和  sigma delta 转换器输入。
开关电容  CX 将对  CMOD  持续放电。IDAC  对  CMOD  充电，使之回到参考电压。Sigma delta  转换器控制  IDAC  以使
CMOD  电压始终保持在参考电压  (Vref)  附近的范围内。Sigma delta  转换器输出一个比特流，经由计数器计算可提供称
为原始计数的数字输出。PSoC 3  和  PSoC  5  中的  CPU 通过处理原始数据来确定传感器的  ON/OFF（开启/ 关闭）状态。
图3- 1 所示为“IDAC 源电流” 框图。有关其他方法，请参见电流源方法一节。

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图5