内建自我调校功能电容触控感测更精准

作者: 51Touch     时间:2012-03-22     源于:新电子    总点击:
【导读】:先对电容式量测技术背后的原理有所了解,将有助于解决设计操作介面时的各种挑战。图1为一电容感测器板的截面图。为了感测手指触碰,电容式感测系统在没有手指接近时即有一个感测电容(图2),亦称为寄生电容(Cp,Parasitic Capacitance)。当有手指接近或触碰到感测器时(图

    北京时间03月22日消息,中国触摸屏网讯, 电容式触控系统容易受到环境杂讯与其他因素影响,造成对手指触碰没有反应或产生假性触碰的误判,系统开发人员若能采用具自我调校功能的电容式感测器,将可抵销杂讯产生的干扰,快速建构出高可靠度且精确灵敏的触控系统。
 
    然而,电容式技术受到环境杂讯与其他因素影响,让触控系统对手指触碰没有反应或产生假性触碰的误判,研发业者若没有对感测器进行调校,触控介面的精准度与可靠度都会严重下降。但若能了解电容感测如何运作,并设计自我调校功能以抵销杂讯产生的干扰,就能建构出精确稳定的系统,让家电产品更加可靠、具成本效益且容易使用。

    本文来自:http://www.51touch.com/touchscreen/news/dynamic/201203/22-14657.html

    电容式感测器量测原理

    先对电容式量测技术背后的原理有所了解,将有助于解决设计操作介面时的各种挑战。图1为一电容感测器板的截面图。为了感测手指触碰,电容式感测系统在没有手指接近时即有一个感测电容(图2),亦称为寄生电容(Cp,Parasitic Capacitance)。当有手指接近或触碰到感测器时(图3),感测电容就会改变,除原本的Cp外还会多出另一种电容,称为手指电容(Cf),因此感测总电容(Cx)就可由公式1推算出来。

图1 电容感测板的横截面图

图2 没有手指触碰时的感测电容

图3 有手指触碰时的感测电容

    Cx=Cp+_Cf‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(公式1)

    想要运用微控制器(MCU)来分析感测器的电容值,感测电容值(Cx)必须转换成数位格式。图4显示一个电容感测预处理电路的模块图,但须注意的是,还有很多方法可量测感测电容值。


图4 用预处理电路来量测电容值

    这个系统采用切换式电容(Switched Capacitor)模块,利用一个电阻Req、一个可编程电流源(Idac)、一个外部电容(Cmod)以及一个精准类比比较器,模拟出感测电容值Cx。 Idac会持续向Cmod充电,直到Cmod电压超过Vref且比较器的输出值够高为止。 Idac之后会切断连结,Cmod透过Req电阻进行放电的动作,直到Cmod的电压降低至Vref以下。比较器的输出值要到Cmod再次充电至Vref后才会升高。当有手指靠近时,Cx会比较高,等效(Emulated)Req会比较低,其数值可由公式2推算出来:

    Req=1/FsCx‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(公式2)

    这里的Fs是切换式电容模块的切换频率。当有手指靠近时,Cmod的放电速度会变快,而比较器的输出值在短时间内会维持在高水平。对比较器而言,这也表示在短时间内会有较高的电容值。如图1所示,在一段固定的时间内,产生的位元流可馈送到计数器,而这个计数器值或所谓的「原始计数值」则能反映Cx的大小。计数器运算所用的固定时间,决定原始计数值,或可称为解析度;当解析度增加,计数器就需要较长的运算时间,原始计数值也随之增加。换句话说,解析度也是原始计数值的最大可能值。

    电容感测器以人工调校费时费力

    图5为电容式触控感应介面的设计流程。但在现实生活中,零件的变异、环境运作条件以及杂讯等因素,都会影响电容式感测器的效能与可靠度。


图5 触控感测介面的设计流程

    调校为相当关键的环节,能确保感测器的功能正确无误且一致。要达到这个目标,必须为一组感测器参数找出最佳值,以维持一定的讯噪比(SNR)与手指临界值。一般而言,要达到最低稳定度的感测器设计(图6),至少要达到5:1的讯噪比。为避免因环境变化导致电容改变而产生误判,建议手指的临界值应设定成讯号强度的65%~80%,才能确保可靠的手指侦测性能。

图6 原始感测器资料包含手指的反应与杂讯,手指反应亦称为讯号强度:当手指放在感测器上方时,感测系统看到的原始计数值差异,就是讯号强度。

    虽然感测控制器制造商会提供指南来协助工程师进行调校,但要针对系统调校出理想的参数,仍必须进行反覆不断的尝试。图4所示为一个内含电容式感测演算法的感测控制器,其调校程序的步骤如图7所示。

图7 一个电容式感测系统的调校程序

    研发业者要建置各项调校参数时,可透过在韧体中撰写感测器的程式码,或是藉由外部元件以设定控制器的方式来完成。若采用韧体的方法,研发业者拥有较大的弹性,但须要变更调校参数时,韧体必须进行修改或更新;另一种方法则是运用固定功能和非可编程电容式感测控制器,以简化系统韧体的开发流程。使用后者方法,在调校参数时必须使用机板上的外部元件,或是透过像I2C等介面来传送组态资料;而每次调校参数时,就得重新制作使用者介面或更新组态资料。研发业者须体认到调校过程相当费时,尤其是印刷电路板或覆盖层必须做变更的时候。
 
    装置自我调校可节省成本与时间

    感测器电路板的物理属性和特性及环境和运作条件,对电容式感测器的效能有很大的影响。例如,感测器效能会被感测器电容值的改变所影响,这些改变源自于印刷电路板制造过程的变异,包括覆盖层材料或厚度改变及改用其他电路版厂商的产品等。挑战不只有这些,寄生电容值也会随着环境条件而改变(杂讯基准),例如温度与湿度等。因此,在阿尔卑斯山进行调校的机板,在气候高温潮湿的香港可能就无法正确运作,必须花更多时间与人力再次调校机板。为尽可能减少因制程变异或变更厂商所导致的良率损失,业者在调校时必须根据统计分析资讯,将各种变因纳入考量。

    还有许多原因导致机板配置必须重新设计,例如按钮尺寸改变,以及因应设计方法而调整电路板上的线路,还有改变电路板尺寸来解决不同的电磁相容和电磁干扰问题等原因,这些修改都需要重新调校感测器。此外,调校过程还要一个通讯协定和主控端应用,以观察与分析感测器的数据。另外还需要额外的输入和输出(I/O)资源,因为调校是在最终机板完成后才进行,系统可能因接脚限制而有许多潜在问题。

    显然,调校不是一件简单的事。除丰富的晶片专业技术与经验,还必须了解在极低讯号值下的各种电容感测效应,加上装置市场的各种上市时程限制,调校工作势必会导致严重的延迟,并增加系统成本。

    想要以低廉成本来克服各种设计限制并符合市场需求,最有效率的调校方法就是由装置本身来执行。一个理想的自我调校系统,会以图8所示的方法来执行这项作业。

图8 自我调校型电容感测系统

    自我调校的电容感测系统须具备多种演算法,以建构出一个可运作的触控感测系统。从基本面来看,家电产品进行的自我调校和人工调校并无差异。如图8所示,有些作业是在开启时就完成(一次性补偿),其他则必须持续执行(动态补偿)。

    ‧一次性补偿

    具备自我调校能力的电容感测系统,必须根据家电产品的种类以及预期的运作环境,来计算出最佳的参数设定。

    ‧时脉

    本文所指的电容感测系统是根据切换式电容或开关电容理论。相较之下,物理感测电容则是模拟成一个电阻,在连续的周期内对感测电容进行充电与放电的动作。模拟的电阻和感测电容值成一定的比例,并且是在转换类比至数位的阶段,利用电源来推算实际的感测电容值。为了妥善模拟电阻,感测电容必须在正确的频率下进行充电和放电,以提供足够的时间让电容能完全充电和放电。因此,如果感测电容值较高,其切换频率也应配合绝对感测电容值来加以调整。

    ‧解析度

    由于这个系统会把感测器的电容值转换成次数,因此电容值能够被测量出来的最小变化,都会影响系统的解析度。可利用寄生电容值以及需要的灵敏度,推算出系统的最佳解析度。

    ‧扫描时间

    就系统规格来看,这是最重要的调校参数之一。但随着扫描的解析度提高,会有更多杂讯加入系统,为补偿增加的杂讯,感测器的扫描时间须「伸缩调整」以整合杂讯,并减少杂讯对测量电容值的影响。一个具备自我调校能力的演算法,必须考量到扫描时间不会超出系统需求,而最好的方法是在布局机板时,尽可能压低寄生电容值。

    ‧IDAC值

    选择扫描解析度时,感测器的量测基准(没有手指靠近时的原始计数值)必须自动调整到最高计数值的80%左右,以确保环境条件或矽元件参数都不会对感测器量测精准度造成负面影响,而且也不会影响侦测手指触碰的精准度。

    ‧动态补偿

    杂讯本身是一种时间的随机函式,经过一小时运作后的杂讯会和刚开机时不同,开机后一个月的杂讯状况也和刚开始不一样。因此,手指侦测的临界值应根据侦测到的杂讯来加以调整,亦即感测器的原始计数值。图9显示一个自我调校系统可以根据系统杂讯来调整手指侦测的临界值。

图9 根据杂讯进行动态手指临界值调整。附注:A(手指临界值)、B(杂讯临界值)、C(推算的杂讯包络线)、D(原始计数值)、E(基准线)。

    一部建置自我调校功能的家电产品,其稳定性、可靠度及效率主要取决于讯噪比与扫描时间,这两者应确保在Cp范围内,从自我调校感测器收到的讯噪比永远高于最低要求的5:1,以维持稳定性与可靠度。扫描时间则会影响自我调校演算法的用电效率,因为当感测器花更多时间在扫描时,就会消耗更多电力。即使较高的扫描时间能符合应用需求,自我调校演算法也应该在不牺牲讯噪比的情况下,尽量缩短扫描时间,以优化耗电量。

    在设计初期,机板布局是很重要却经常被忽略的项目。因为机板布局会影响整个系统的效能,寄生电容则会影响调校所须投入的心力、产品良率、扫描时间及其他系统特性。在设计布局以降低感测器的寄生电容时,应依循控制器制造商所提供的指南。这些指南可在自我调校时用来改进系统的效能,并协助研发业者因应持续变迁的市场需求。

    自我调校控制器可省去反覆调校所耗费的资源,让这些搭载电容式感测技术的家电不必随着运作条件改变而不断调校。在某些极端的状况中,感测器的寄生电容值会升到极高,这时还是需要外部元件,甚至是人工调校,才能让电容值维持在正常范围。

    研发业者把电容感测技术建置在家电产品与其他系统时,人工调校技术会带来可观的设计挑战;由于制程上的变异,业者须针对不同的制造批次进行调校,不论是为因应需求的改变而重新设计机板,如覆层的厚度或按钮尺寸;又或是为解决杂讯和干扰问题。调校一方面会改进效能与可靠度,但若是以人工进行调校,就会增加成本并拖延产品推出的时程。自我调校型的控制器则可排除这些成本与延迟问题,让研发业者快速建置可靠的系统,而且不必成为电容式讯号的专家。
 


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