近来在便携式媒体播放器、笔记型计算机、手机市场中陆续出现的各项令人感到兴奋的电容式感测技术之应用,让人几乎忘了这类界面技术早已广泛地应用于家电用品的设计中许多年了.感测算法与控制电路两方面的重大进展,让这项技术适用于更多的应用领域.设计人员看到了电容式感测技术的价值所在-不仅可取代机械式按键与膜片开关;并可适用于各项新颖的应用,如:触控式屏幕与近距传感器等.
感测电容
电容式传感器是由导体片、接地面、与控制器所构成.在多数的应用中,导体片会用一片铜制电路板,而接地则用灌注填充.这两者之间存在有原生(寄生)电容(CP).当其它如手指头等导电物体接近传感器时,随着该物体的电容值(CF)增加,系统的电容值也随之增加.(如图1)
要侦测由CF造成电容值增加的方法有好几个.场域效应(Field Effect)量测方法中,在感测电容器与系统参考电容器之间使用交流电分压器.藉由监测电流在分压器上的改变可以感测到手指触碰时所产生的电容值变化.电荷转移(Charge Transfer)则使用切换式电容器电路以及参考总线电容值,重复进行从较小的传感器电容器至较大总线电容器之间的电荷转移步骤.总线电容器上的电压值与传感器电容值两者之间存在着比例关系,因此在固定次数的步骤后量测电压值,或藉由计算达到某一电压临界值所需的步骤次数,来决定该电容值.另外,弛张振荡器(relaxation oscillator)则是用量测充电时间的方法,其中充电速率通常是由固定电流源的值和传感器电容值所决定的.较大的传感器电容器需要较长的充电时间,这部份通常能运用脉冲宽度调变器(PWM)与定时器来进行量测.至于连续近似法(Successive Approximation)也是量测电容充电时间的方法,不同的是当中的起始电压是由连续近似法所决定的.
以PSoC 组件执行的连续近似法(Cypress 申请之专利)采用一组电容对电压的转换器以及单斜率模拟数字转换器(ADC).其电容值量测方式是先藉由将电容值转换至电压值,接着将该电压值储存于电容器内,然后再利用可调式电流源来量测所储存之电压值.其中电容值对电压值转换器乃是利用切换式电容器技术,此电路系统让传感器电容器可依其电容值反映出对应的电压值.切换式电容器所用的频率则是由PSoC 本身内部的振荡器所产生.
传感器电容器连接到模拟多任务总线上,并利用同样连接总线的可编程电流输出数字模拟转换器(iDAC)进行充电.每个总线上充电电量为q=CV.当SW2 为开路且SW1 为闭路时,跨CX两端的电位势为零,且会减低总线上的电量,所减低的值与传感器的电容值成比例.这种充放电的动作会一直重复,此时传感器电容器也会成为总线上的电流负载.(如图2)
藉由切换式电容器的电路运作,iDAC 就会以二元搜寻法的方式决定出总线上恒定的电压值有多少.该电压值会影响切换式电容器的切换频率、传感器电容值、以及iDAC 的电流值.总线其实也等同于一个旁路电容器(bypass capacitor),可以稳定最终电压.在总线上也可以增加额外的电容器,以调整电路的行为与时序.
计算所得的iDAC 值接着再度用来对总线充电,并且测量总线从初始电压到比较器的临界电压所需的充电时间.初始电压是在没有手指触碰的情形下,因此充电时间可事先测定.当手指触碰传感器时会增加CX 的值,并且降低初始电压,因此会延长充电时间量测.(如上公式及图3)
建构传感器
电容传感器有多种型态与功能,可以采用各式各样的媒介,实作样式从简单到复杂都有.而决定传感器建构与建置细节的还是应用本身的需求.最常见的传感器样式要属按键与滑杆.按键其实就是连接至控制器的大型导体片,其中所测得的电容值会与一连串的临界值作比较,而测定结果也能藉由数字输出获得,或用其它模拟特性,以进一步感测触
动的压力或手指面积.至于滑杆则是许多导体片以直线或放射状排列所构成的.利用计算质心的算法就可以测定出接触的位置,而且分辨率远大于感测所用的针脚数.像按键或滑杆这类简单的电容感测器,绝大多数都会采用铜片沉积至印刷电路板.然而也能使用其它基板材质与沈积媒介物制作电路,例如高导电性的银墨(silver ink).(如图4)
动态使用者接口的按键或触控区则可以任意配置其显示器样式.这类的显示器拥有更为平顺且直觉化的互动操作,创造更佳的使用者经验.要建构这类系统比一般简单的按键或滑杆更为复杂.投射式电容触控屏幕在显示器上多加了透明导电物质.这层导电表面利用沈积方式附着于玻璃或PET 薄膜这类基板上,并且连接至控制电路,接着再将此基板黏着于触控表层与显示器之间.触发区域测定方式与滑杆相同.纵向与横向的两组滑杆相互交错以覆盖整个显示区域,而且这两个方向的滑杆会侦测触动位置并且输出x 轴与y 轴数据.由于投射式电容触控屏幕上方还有一个覆盖层,因此也保护屏幕不受直接冲击、弯曲、环境因素影响等常见于传统电阻式触控屏幕的伤害.
近距传感器基本上就是很大的按键.近距传感器的目的并不在侦测导电物体的确切位置,而是物体是否在附近.由于不需知道物体确切位置,因此反应时间可以稍慢(3-4ms vs. 250us).近距传感器的灵敏度高很多;设计得当甚至可达30cm 的距离.也由于近距传感器无须结合任何显示图形,因此在装置中的摆放位置就有更多的弹性.无论是控制电路板外的铜线圈,或是覆盖层后方的导线,都可以建置出非常基本且具成本效益的近距传感器.(如图5)
使用电容传感器
电容传感器的用途日益广泛.上述传感器的弹性、耐用、简洁的特性已为许多设计人员创造了新的机会.基本的选单浏览和点选功能依然使用按键方式,但使用价格实惠的电位计这种具备模拟特性的按键,就能建置出更多简单、具成本效益、可靠又安全的功能.
LG LA-N131DR 空气清静机在面板显示器选单浏览的按键上中用了五个电容传感器.这些按键让设计人员可以设计出平顺的机身,同时也具备使用者接口.电容式按键透过四毫米的玻璃侦测有无手指触碰.
控制电路则建置在双层印刷电路板上没有传感器的一面.LG 采用PSoC 混合讯号数组来控制传感器,并且将状态输出至主要的装置处理器上.(如图6)
近距传感器具备反应式背光功能,这主要是为了夜间操作或是安全因素考虑.这些情形多半需要更大的触发组件,例如成?的手或是金属罐子,才有办法达到可控制的范围.近距传感器、按键、滑杆、甚至是触控屏幕,都可利用PSoC 的单一处理器进行控制.韧体例程则可依照使用者输入或主机命令进行状态的更改.
为您创造电容感测应用
PSoC 混合讯号数组内含一个包含可组态的数字与模拟资源、闪存、RAM、8 位微控制器与其它多种功能的数组.这些特色让PSoC 能在其CapSense 系列产品中实现创新的电容感测技术.运用PSoC的直觉式开发环境即可为装置进行组态与重新组态,以符合设计规格或任何规格变更.新感测技术的出现提升了感测灵敏度与抗噪声能力,并且减少功耗、增加升级速率,让设计人员创造出更好的应用产品.
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