五步輕松設(shè)計出電容式觸摸傳感器（2）:布局設(shè)計和智能手機應(yīng)用實例

關(guān)鍵詞： 電容式觸摸傳感器 , PCB , 手機觸摸按鍵 , I2C協(xié)議

在本系列文章的第1部分中，我們不僅探討了機械按鍵用戶界面與電容式觸摸傳感器用戶界面的差異，而且還討論了步驟1（設(shè)備的外觀與質(zhì)感）以及步驟2中的原理圖設(shè)計部分。第2部分，我們將介紹將機械按鍵替換成電容式感應(yīng)按鍵時所需的設(shè)計布局。此外，我們還將舉一個應(yīng)用實例。

步驟2：布局：

對于電容式傳感器設(shè)計方案而言，布局非常重要，因為傳感器很容易受外部噪聲影響。每個布局都必須針對特定應(yīng)用創(chuàng)建，因此布局輔助工作通常著眼于提供建議。所以，一般很難一開始就給出理想的設(shè)計。

在設(shè)計任何電容式傳感器布局時，開發(fā)人員必須考慮的重要參數(shù)包括：

● 傳感器尺寸：傳感器尺寸取決于覆蓋層厚度。覆蓋層越厚，傳感器就越大?？紤]到較小按鍵對觸摸不夠敏感，而較大按鍵對觸摸太過敏感，這都是我們不想要的，因此要優(yōu)化按鍵尺寸。

● 寄生電容（CP）：傳感器的PC電路板跡線的固有電容叫寄生電容。大傳感器CP可使其更難感應(yīng)傳感器電容的微小變動，從而可降低靈敏度。電容式感應(yīng)布局應(yīng)將傳感器CP保持為最小。

● 跡線長度：較長的跡線長度可增大傳感器的CP，從而可降低傳感器靈敏度。此外，長跡線還會像內(nèi)部天線一樣，降低傳感器的抗噪性。

● 功耗：傳感器CP是影響器件功耗的主要因素之一。較大的傳感器CP可增大傳感器因此而必需掃描的時間，導(dǎo)致整體功耗上升。要降低功耗，傳感器CP必須保持最小。

一次成功優(yōu)化所有這些參數(shù)并非小事。為了避免布局重新設(shè)計的多次反復(fù)進(jìn)行，電容式感應(yīng)技術(shù)廠商提供了各種高級工具來簡化該流程。例如，賽普拉斯提供的設(shè)計工具套件就是一款這樣的工具，可幫助開發(fā)人員糾正布局設(shè)計。此外，它還可幫助各團(tuán)隊避免不太容易發(fā)現(xiàn)的錯誤，這些錯誤的消除可能非常耗時耗力。該設(shè)計工具套件是EZ-Click軟件工具的一部分，可幫助配置MBR器件。

重要的布局注意事項

在最后確定電容式觸摸按鍵的布局前，需要決定的一個重要因素是傳感器尺寸。設(shè)計工具套件有助于根據(jù)覆蓋層材料、覆蓋層厚度以及系統(tǒng)噪聲等級設(shè)定最佳傳感器尺寸。

此外，該工具套件還可將系統(tǒng)屬性用作輸入，并能根據(jù)系統(tǒng)支持的最大傳感器寄生電容推薦設(shè)計支持的最大跡線長度及傳感器尺寸。

圖6：設(shè)計工具套件中的按鍵直徑及跡線長度估計函數(shù)

在進(jìn)行PCB制造前要考慮的事情：

傳感器特性：采用傳感器尺寸及跡線長度的推薦值完成布局后，請先使用實際值在工具套件的幫助下驗證您的設(shè)計，然后再進(jìn)行PCB設(shè)計。根據(jù)您所提供的輸入值（如跡線長度和傳感器尺寸）使用設(shè)計工具來計算大致的寄生電容。該工具隨后可在傳感器寄生電容超過可接受工作范圍時發(fā)出警示。

圖7：設(shè)計工具套件中的寄生電容計算器

功耗優(yōu)化是大部分設(shè)計的另一個重要要求。此外，設(shè)計工具還可根據(jù)器件參數(shù)估算器件的功耗。這有助于設(shè)計人員根據(jù)需要調(diào)整各個參數(shù)，以降低整體功耗。

圖8：設(shè)計工具套件中的功率計算器

響應(yīng)時間（即傳感器識別觸摸的時長）是這些工具能夠估算的另一個重要參數(shù)。開發(fā)人員可根據(jù)器件參數(shù)驗證傳感器的響應(yīng)時間，必要時，還可通過調(diào)整參數(shù)把響應(yīng)時間限定在要求范圍內(nèi)。

在設(shè)計布局時還需要遵循其它基本準(zhǔn)則，包括不同層的鋪地層、過孔尺寸以及跡線厚度等。這些都是很簡單的建議，不是本部分涉及的內(nèi)容。此外，您的廠商也會提供設(shè)計指南和最佳實踐。要獲得最穩(wěn)健的電容式感應(yīng)設(shè)計，所有這些都得遵循。
        
步驟3：為您的設(shè)計創(chuàng)建配置：

在設(shè)計的硬件部分（例如原理圖和布局）準(zhǔn)備就緒后，下一步就是為設(shè)計創(chuàng)建配置。MBR屬于即插即用器件，無需復(fù)雜編程，便可根據(jù)每個應(yīng)用配置器件的功能，從而可為開發(fā)人員帶來高度的靈活性。

開發(fā)人員可通過一系列能夠使用I2C等通信協(xié)議訪問的寄存器，了解MBR器件的功能配置。開發(fā)人員可將配置寫入這些寄存器，并通過向器件發(fā)送適當(dāng)?shù)拿顚⑴渲帽４嬷灵W存等非易失性存儲器中。重置后，該器件不僅可讀取保存在非易失性存儲器中的配置，而且還可根據(jù)配置進(jìn)行運行。

有一些高級而復(fù)雜的功能，它們通常是電容式感應(yīng)按鍵用戶接口的一部分。但這些功能的設(shè)計和開發(fā)也并非易事。有了MBR器件，這些功能就已經(jīng)實施在器件中了，可通過每款應(yīng)用的配置進(jìn)行定制。

現(xiàn)在，我們來看看一些應(yīng)用示例，了解如何在MBR器件上為某款具體應(yīng)用選擇功能。此外，我們還將了解如何配置這些功能。

1.手機上的觸摸按鍵：

手機上的觸摸按鍵通常用于高級功能，例如快速訪問各種應(yīng)用以及訪問菜單或主頁等各種重要屏幕。一款典型的手機不僅有多達(dá)三個觸摸按鍵，而且還需要LED背光照明。除了按鍵與背光照明外，現(xiàn)在的手機設(shè)計還使用接近傳感器，可在用戶把手機靠近臉部時進(jìn)行檢測。檢測到臉部后，觸摸屏就會關(guān)閉，以防止臉部觸碰到屏幕上的圖標(biāo)。

此外，手機應(yīng)用還需要在主機和MBR器件之間提供通信鏈路。I2C是最常用的通信協(xié)議。為了優(yōu)化設(shè)備功耗，主機不應(yīng)通過使用I2C協(xié)議從MBR器件定期讀取按鍵狀態(tài)來輪詢按鍵狀態(tài)。如果在有任何按鍵狀態(tài)發(fā)生變化的情況下，例如按鍵從關(guān)閉到開啟或者從開啟到關(guān)閉，MBR器件能夠發(fā)送信號通知主機，該工作就可完成。然后在收到MBR器件的警示后，主機只能通過I2C寄存器讀取該按鍵狀態(tài)。

手機的另一個注意事項是主機的工作電壓可能會比MBR電源低。在這種情況下，I2C線路必須拔掉或者轉(zhuǎn)接至不同于MBR電源的其它電壓。

必須在MBR系列包含的器件中選擇適合該應(yīng)用的最佳器件。該器件必須支持至少三個傳感器、一個接近傳感器和相應(yīng)數(shù)量的LED GPO。因此對于移動應(yīng)用而言，必須啟用3個電容式感應(yīng)按鍵、一個接近傳感器（實際數(shù)量根據(jù)應(yīng)用需求而定）以及所需數(shù)量的GPO（能夠驅(qū)動LED）。GPO 的驅(qū)動模式既可在開漏與低電平有效之間選擇，也可在高電平有效與低電平有效之間選擇。對于LED驅(qū)動而言，必須選用強驅(qū)動模式。此外，GPO的類型還可在MBR器件中選擇。如果LED采用極點配置設(shè)計，應(yīng)選擇“低電平有效”類型，而如果LED采用源點配置設(shè)計，則應(yīng)選擇“高電平有效”類型?？筛鶕?jù)該類型設(shè)定GPO的默認(rèn)邏輯狀態(tài)。如果選擇“低電平有效”，它就為“高（邏輯1）”，如果選擇“高電平有效”，它就為“低（邏輯0）”。

還有一個專用引腳，它可通過配置來支持MBR器件可支持的多個功能中的任意一個。例如，該引腳可以配置為“主機中斷”。在“主機中斷”功能在該引腳上啟用時，MBR器件可基于任何按鍵狀態(tài)發(fā)生的任何變化發(fā)送低電平有效脈沖，警示主機有新情況發(fā)生。該主機中斷信號可中斷主機，以便它讀取MBR器件的按鍵狀態(tài)。

這個功能有助于優(yōu)化整體系統(tǒng)功耗。I2C線路和主機中斷引腳可通過某個MBR器件中的一個名為VDDIO的特殊供電引腳獲取電源。VDDIO跟VDD不同，它是MBR器件的電源。由于I2C引腳和主機中斷引腳現(xiàn)在連接至不同的電壓，因此該MBR器件可支持MBR器件主機工作電壓低于MBR器件電源電壓的應(yīng)用。

圖 9：移動應(yīng)用中的電容式感應(yīng)系統(tǒng)方框圖

圖10：Android按鍵智能手機

在第2部分中，我們不僅介紹了將機械按鍵替換成電容式感應(yīng)按鍵時所需的布局，而且還舉出了一個智能手機應(yīng)用實例。第3部分，我們將介紹更多應(yīng)用實例，以及如何配置MBR器件才能實現(xiàn)這些應(yīng)用所需的專用功能。

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