PDF《面向汽车应用的电容式触摸开关》

1 个电流源 ?

1 个放电开关 ?

1 个电容式传感器. 一开始,放电开关处于开路状态.当该开关开路时,全部电流均进入传感器,导致其电压线性转换.该 充电操作持续进行,直至传感器电压达到比较器的门限电平为止.比较器随后从低电平变换至高电平, 导致放电开关闭合.电容式传感器通过该低阻抗路径迅速放电至地.该过程将使比较器的输出从高电平 变换至低电平,然后重复这一循环.如下面的公式所示,输出频率(fout)与充电电流成正比,而与门限 电压和传感器电容成反比.测量该频率,以确定传感器电容: TH sensor charge out V C i f ? = 当充电电流为 5μA、比较器门限为 1.3V 且传感器电容为 30pf 时,输出频率为 128kHz.测量输出频率 花费的时间越长,获得的分辨率就越高.频率分辨率的提高将改善电容测量的灵敏度.增加测量时间将 提升测量电容分辨率.在每种应用中,可根据不同的传感器尺寸和透明塑料膜厚度来相应地调整测量时 间的变化. 如果利用上面的公式来求解电容,则将得出下面的方程: ? ? ? ? ? ? ? ? ? = out TH charge sensor f V i C

1 显然,人们实际上希望测量的是输出频率的周期.图3示出了用于进行周期测量的方框图和波形. 图图图图3:周期测量方框图 :周期测量方框图 :周期测量方框图 :周期测量方框图 Counter Gate fout PWM (Gate) Gate Charging Waveform Oscillator Output (fout) Gated fref Counter fref Count complete 输出频率被用于对一个脉宽调制器 PWM 进行定时.PWM 输出是一种由一些低电平周期再加上一些高电 平周期的波形.实际数值由各个应用来决定.该信号起计数器逻辑门的作用.高电平逻辑门允许计数器 以fref 的速率递增计数.在该逻辑门信号的下降沿上,生成了一个中断信号,从而使得能够对计数器进行 读取和复位操作.如前文所述,当充电电流为 5μA、比较器门限为 1.3V 且传感器电容为 30pf 时,将产 生一个 128kHz 的输出频率.当采用一个 6MHz 基准时钟时,一个周期所累积的计数值为 46.一个双周 期逻辑门将产生一个

93 的计数值.对于

10 个周期而言,计数值将为 468.显然,累积计数值越大,分 辨率或灵敏度就越高.较大的计数值可通过以下方法来实现: ? 提高基准频率 ? 降低振荡器频率 ? 增加用于逻辑门信号的周期数量. 可配置混合信号阵列提供了一种用于实现电容开关传感器的成本-效益型方法.下面的图

4 示出了方框 图. 图图图图4:赛普拉斯的 :赛普拉斯的 :赛普拉斯的 :赛普拉斯的 CY8C21x34 可配置混合信号阵列 可配置混合信号阵列 可配置混合信号阵列 可配置混合信号阵列 Analog Array Digital Blocks Analog Mux Control IO Pin IO Pin CY8C21x34 PSoC Device IO Pin IO Pin Analog Mux Bus 它包含用于构建弛张振荡器的可配置模拟功能块和用于实现周期测量硬件的数字功能块.更为重要的是 增设了一个 I/O 模拟多路复用器.每个引脚都具有一个可将其连接至一根模拟总线的开关.I/O 模拟多路 复用器是一种大型十字开关,使得能够把任何引脚连接至一个控制系统的模拟阵列.与该总线相连的还 有一个可编程电流源和一个放电开关.这种功能组合使得所有的

28 个I/O 引脚都可被用作一个电容式传 感器输入.下面的图

5 示出了一种完整的电容器触摸感应系统. 图图图图5: : : :CY8C21x34 可配置混合信号阵列 可配置混合信号阵列 可配置混合信号阵列 可配置混合信号阵列 VTH fs icharge fout PWM (Gate) Gate Counter System Clock C(i) 10-30 pF Typical I/O Analog MUX Bux 当两个电容传感器彼此靠近放置时,如果有一根手指在它们之间揿按,则这两个传感器都能够检测到. 可以利用该效应来实现模拟型手指位置触摸感应. 滚动条是一组相邻的传感器,其构造使得一根手指将会影响到多个传感器.所有受影响的传感器的电容 式变化都可被用来计算质量的中心(即:质心).该数值精准地确定了手指的位置.图6示出了这种滚 动条的构建方式. 图图图图6:利用相邻传感器所构成的滚动条 :利用相邻传感器所构成的滚动条 :利用相邻传感器所构成的滚动条 :利用相邻传感器所构成的滚动条 Centroid 当采用滚动条时,需要选择一种合适的传感器形状,以便容易地使手指对多个传感器施加影响,这一点 很重要. 滚动条可能的应用之一是巡航控制.不妨想象一下放置于速度计的速度值上方的一连串透明的传感器. 把显示器上的指示值大致选择于 55mph 和60mph 两者的中间,即可轻松地将巡航速度设定为 57mph. 调光和/或音量控制也都是 CapSense 滚动条潜在的应用对象.电容式开关传感器可被附加在任何测量仪 器的前面. 由于汽车控制面板变得更加复杂,因此,想把所有的控制器都放置在有限的可用空间之内是比较困难 的.方向盘的表面是一个长期以来一直被人们所忽视的地方.理由很充分,在许多汽车中,这是安装驾 驶者安全气囊的地方,没有人希望在安全气囊展开时有一大群机械开关迅速地四下散开,弹到自己的脸 部和胸口上.电容式传感器没有机械部件.它们不过是镀覆在方向盘的安全气囊盖背面的走线.如果不 想采取电镀法,则可把一个薄型柔性电路刚好安装在安全气囊盖的后面. 另一个尚未加以开发利用的控制区域是车窗部分.如果把车窗除雾器控制器安放在车窗本身之上会怎么 样?现在,风档刮水器控制器或许就装在挡风玻璃上.设想一下,把数字门锁刚好安装在车门把手上方 的车窗上.车主触摸传感器,以输入正确的数据组合.传感器可采用玻璃印刷电路技术或透明凸雕来制 作.可以把这些传感器做成一定的形状,以使其貌似一个传统的小键盘.可是,为什么要拘泥于传统的 形状呢?可以把它们做成汽车标牌或型号名称的一部分,如下方的图