摘  要：非接觸式操作界面正逐漸取代普通按鍵，成為常用的人機交互工具。使用PSOC片上系統(tǒng)芯片CY8C2714，結合電容式感應原理，可設計一種基于PSoC微處理器芯片的電式感應按鍵，實現(xiàn)按鍵的非接觸式可靠設計。PSoC片上系統(tǒng)芯片是具有高速內核、快閃內存和SRAM數(shù)據(jù)內存的高性能芯片，具有獨立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器總線，設計者可自配置模擬模塊和數(shù)字模塊。

關鍵詞：電容式  PSoC非接觸式  感應按鍵

    電容式感應技術正在迅速成為面板操作和多媒體交互的全新應用技術，其耐用性和降低BOM成本方面的優(yōu)勢，使這種技術在非接觸式操作界面上得到廣泛的應用。本文采用PSOC片上系統(tǒng)芯片，實現(xiàn)了非接觸式、穩(wěn)定可靠的電容式感應按鍵的設計。

1  PSoC片上系統(tǒng)

    PSoC微處理器由處理器內核、系統(tǒng)資源、數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)組成。PSoC片上系統(tǒng)包含8個數(shù)字模塊和12個模擬模塊。這些模塊都可進行配置，用戶通過對這些模塊進行配置，定義出用戶所需要的功能。數(shù)字模塊可配置成定時器、計數(shù)器、串行通信口(UARTS)、CRC發(fā)生器、PWM脈寬調制等功能模塊。模擬模塊可配置成模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器、可編程增益放大器、可編程濾波器、差分比較器等功能模塊。數(shù)字模塊和模擬模塊也可構成調制解調器、復雜的馬達控制器、傳感器信號的處理電路等。

2  電容式感應原理

電容開關是一對相鄰電極，在電極之間有很小的電容。當一個導體接近兩個電極時，在電極與導體之間會產(chǎn)生一個耦合電容。在這里，手指就是這個導體。通常電容開關的形式是一邊接地的電容，導體的存在增加了開關到地之間的電容。檢測是否有手指靠近，也就是檢測是否有按鍵按下，可依據(jù)電容的變化來判斷。檢測電容變化的方法有很多：電流與電壓相位差檢測、電容構成振蕩器進行頻率檢測、電容橋電荷轉換檢測。因為電容橋電荷轉換檢測的方法較適用于大量按鍵掃描和PSoC的性能，所以在此采用該方法進行檢測。電荷轉換電路從概念上來說與R—C充放電路相似，如圖1 所示。電荷轉移的優(yōu)點是不需要附加電阻器件。Cp是感應的電容，它的值隨著電極材料上所加導體而改變。Csum是參考總電容。

    在檢測周期開始，通過一個復位開關把Csum上的電荷全部放掉。然后通過單刀雙向開關使CD工作在非重迭的周期上。在第一半周，Cp連接到VDD充電。當Cp上的電荷以由Cp值決定的速度充到VDD時，開關斷開，然后把開關連接到Csum，Cp上的電荷轉移到Csum中。

    在圖1中，因為Csum的電容值比CP大得多，所以Csum上的電壓值在充電的每一周期內只有微小的增加。這個Cp到Csum上的電荷轉換周期重復許多次，以使Csum上積累到一個大的信號值。當連接到VDD時，電容Cp上的電荷為：

Q=CV    (1)

    不是Cp上的所有電荷都轉移到Csum中。當Cp上的電壓跌落到Csum上的預存電壓時，轉換便不再進行。為檢測感應的電容值是否有改變，可通過Cp-Csum的充放電方式，把Csum充到固定的閾值VTH，再計算到達這個閾值時的周期數(shù)。在任意采樣點n，Csum上的電壓值為：

圖2示出了充放電115 ms后的電荷轉換波形。

    其充放頻率為6 MHz，所以其轉換次數(shù)為700次。

    式(2)很明顯是一個指數(shù)函數(shù)，即電壓值Vsum為：

檢測Cp的變化率，可通過比較Vsum和VTH得到。即計算Vsum充到VTH時的充放電次數(shù)n：

當手指靠近時，Cp變成電極感應電容和手指接近產(chǎn)生的耦合電容之和CF+P，所以Csum充電到閾值VTH的速度更快，充放電周期數(shù)n也就更?。?/SPAN>

這樣，檢測是否有鍵按下就簡化成了檢測周期數(shù)的變化率△n=n一nF+P°當△n>nTH時，表明有手指靠近。

3  電容式非接觸按鍵的設計與實現(xiàn)

3.1  電容式非接觸按鍵的硬件電路設計

電容式非接觸按鍵的硬件電路如圖3所示。該設計中，通過PSoC芯片CY8C2714循環(huán)檢測感應電極的狀態(tài)來判斷是否有按鍵按下。該系統(tǒng)的硬件設計非常簡單，感應電極不需要附加任何元器件。I／O口PO．2～P0．6共連接4個按鍵感應電極，芯片通過內部硬件配置和軟件算法，對感應電極上是否有手指按下進行檢測。另外，PSoC芯片可外接ISSP接口實現(xiàn)在線編程。

3.2  電容式非接觸按鍵的軟件實現(xiàn)

非接觸按鍵的檢測，須通過比較器、充電電流源和復位開關組成一個張弛振蕩器，來對按鍵電極電容充放電。PSoC內部用戶模塊配置如圖4所示。比較器占用一個模擬模塊，它的同相輸入端由多路模擬開關連接到I/O口上，反相輸入端接內部參考電壓VBG作為電容充電閾值VTH，與同相輸入端進行比較。輸出端連接比較邏輯輸出總線0?？偩€與通用輸出口連通，再把通用輸出口4和通用輸入口4連接在一起，作為PWM的時鐘輸入線。PWM脈寬調制模塊占用1個數(shù)字模塊，其時鐘輸入連到比較器的輸出，PWM的輸出連接到定時器的捕獲腳。1個16位定時器占用2個數(shù)字模塊，對PWM輸出的脈沖進行定時。

非接觸式感應按鍵的實現(xiàn)過程為：首先設置I／O口的輸出驅動模式，開始掃描按鍵，把按鍵連接到模擬多通道輸入口，使能振蕩器。當Cp上的電壓線性增加到閾值時，比較器輸出高電平。刷新定時器和PWM的周期數(shù)，重設計數(shù)值，置完成標志位。當掃描完成，停止PWM，定時器中斷服務完成。最后根據(jù)電容感應原理，計算出定時器的周期數(shù)來判斷是否有按鍵按下。在本設計中，如式(5)所示，選取Csum值，使充放電周期數(shù)n=1000次時，Vsum到達VTH。當檢測到nf+p<800，即Δn>nTH=200時，認為有鍵按下。  

結  語

    本設計中，基于 PSoC片上系統(tǒng)新片的非接觸式感應按鍵界面，有著非接觸、可靠和設計簡單的特點。這種方便、靈活的操作界面已在家電和控制系統(tǒng)中得到餓應用和推廣，所以關于電容式感應按鍵技術的應用將會是嵌入式系統(tǒng)中的一個研究熱點。