作者： 劉彥珺 趙豐
引言
利用人體和電極之間產生的靜電電容進行工作的電容式觸摸開關，最初被應用于智能手機，進而又被廣泛地應用在了家電產品、AV機器、汽車以及工業設備上。由于觸摸開關的組成無需機械部件，因此使用起來非常靈活，甚至可以安裝在堅硬的曲面上。本文基于瑞薩電子的靜電電容式觸摸技術，介紹觸摸開關檢測的基本原理以及抗干擾技術等。
觸摸開關檢測原理簡介
靜電電容式觸摸開關通過捕捉人體與電極之間靜電電容（1pF以下）的微弱變化，判斷開關的ON/OFF狀態。有很多種方法可以將靜電電容量轉換為開關的ON/OFF狀態。其中最簡單的方法，是利用靜電電容和電阻形成低通濾波器（LPF），通過測量充電/放電常數的變化判斷靜電電容的變化。這種方式被稱為張馳振蕩方式。由于其電路簡單，無需專用的靜電電容測量電路，因此被廣泛應用。但是這種方法的抗噪聲性能偏弱，有時會由于照明燈具或家電產品的逆變噪聲而發生誤判。
瑞薩電子開發的靜電電容式觸摸檢測方法，利用開關電容濾波器（SCF）將靜電電容量轉換為電流量，對該信號進行放大和數字化處理后，根據它判定開關的ON/OFF狀態。這種方法具有靈敏度高，抗噪聲性能強的優點。具體的檢測流程如圖1所示。本章按照圖1的流程，說明靜電電容式觸摸開關的基礎知識。
圖.1 靜電電容式觸摸開關的檢測流程（“數字.數字”表示章節號）
靜電電容的發生
靜電電容發生的機理如圖2所示。電極和其周圍的導電體（地線、金屬框等）之間存在寄生電容（Parasitic Capacity: Cp）。當人體接近、觸摸電極時，人體和電極之間通過手指產生新增的靜電電容（Finger Capacity: Cf），并通過可以導電的人體和大地連接（如圖2中紅線所示）。
圖.2 靜電電容的發生（自電容方式）
電極上產生的靜電電容的總容量（Total Capacity），如下所示：
靜電電容式觸摸開關按照一定周期循環測量電極的靜電電容量，并根據人體接觸時產生的靜電電容的增加量Cf，判定觸摸開關的ON或者OFF狀態。
靜電電容的發生
如[靜電電容的發生]所述，將人體與電極之間產生的靜電電容量轉換為電流量的方法使用了開關電容濾波器（Switched Capacitor Filter: SCF）。如圖3所示，SCF是由2個開關、控制2個開關交互ON/OFF動作的控制脈沖、電源以及電容組成的。
圖.3 SCF構成及電容的充放電動作
SW1和SW2在控制脈沖的作用下，一個開關ON時，另外一個開關OFF。如圖3中的左圖所示，當SW1 = ON；SW2 = OFF時，電容充電。隨后，如圖3中的右圖所示，切換到SW1 = OFF；SW2 = ON的狀態后，電容放電。流經電容的電流i、開關的切換頻率f、電容值c和電路供電電壓v之間的關系，如下式所示：
i = fcv
如果f和v固定不變，電流i和電容c成正比。因此，可以使用SCF將人體接近時產生的靜電電容量的變化轉換為電流量的變化。通過調整切換頻率f和供電電壓v，可以改變靜電電容變化量和電流變化量之間的比例系數。
電流的數值化
電容的容量值轉換為成比例的電流量后，經過電流—頻率轉換電路轉換為和電流量成比例的振蕩脈沖。然后，計數器對振蕩脈沖計數，進而將電流轉換為成比例的數字值。
電流的數值化流程，如圖4所示。對SCF的電容循環執行充放電操作時，電容中會產生交流電流。后續的電流平滑電路將交流電流轉換為直流電流后，電流輸入到電流振蕩器，轉換為頻率和輸入電流成比例的振蕩脈沖。脈沖計數器對一定時間內的脈沖計數，并保存計數結果。
圖.4 電流數值化的流程
開關的ON/OFF判定
如[靜電電容的發生]所述，自電容方式是通過檢測靜電電容量的增加來判斷人體是否接觸電極的。按照一定周期循環執行2.1~2.3章中介紹的靜電電容量的測量，可以根據測量值的變化判定人體是否接觸電極。
手指接近和離開電極時，開關的ON/OFF判定流程如圖5所示。靜電電容量的測量按圖中所示的時序每隔一定時間執行一次。計測值如圖中藍線所示，當手指遠離電極時，保持為一定的計數值；當手指接近電極時，靜電電容量和計數值逐漸增加。當手指再次遠離時，計數值逐漸下降并保持為一定的數值。把手指遠離電極時的計數值作為基準值（圖中綠色虛線）。在基準值基礎上疊加一個閾值，作為臨界值。當計測值超出臨界值時，判定開關為ON。當計測值低于臨界值時，判定開關為OFF。由此，可以實現靜電觸摸開關的ON/OFF切換。
此外，改變閾值的大小可以調整觸摸開關的靈敏度。改變計測周期和計算多個計數值的平均值，可以抑制開關的抖顫，調整開關的反應速度。
圖.5 開關的ON/OFF判定
硬件及軟件抗干擾技術
靜電電容式觸摸開關是基于靜電電容量的微弱變化而工作的。因此，設計時必須盡量避免噪聲和電源波動的影響。
瑞薩電子提供的Touch解決方案，不僅在電容觸摸傳感單元（簡稱：CTSU）中內置了多種噪聲抑制電路，同時還提供了用于抑制噪聲的軟件濾波器。本章主要介紹CTSU模塊的硬件抗干擾功能和軟件抗噪聲技術。
硬件CTSU模塊的抗擾度
為了抑制由輻射、傳導引入的噪聲，CTSU內置了多種噪聲抑制電路，以穩定靜電電容的測量。以下分別說明這些電路的組成及功能。
SCF時鐘的相移
為了使用SCF將靜電電容量轉換為電流量，CTSU按照一定的周期切換SCF開關的ON/OFF狀態，實現對外部電容充電/放電的循環操作。此時，如果在電極上混入和SCF開關同周期的噪聲，并且噪聲的波峰/波谷與充電/放電期間始終一致，那么電流會因噪聲相應增加或減少，進而可能造成測量無法正確進行。作為解決同周期噪聲的對策，CTSU內置了SCF驅動脈沖的相移電路。通過反轉驅動脈沖的相位，防止驅動脈沖和噪聲的波峰/波谷同相位。相移由多項式計數器決定，1次計測中，SCF脈沖的相移次數和180°相移次數要一致。
同周期噪聲的影響和180°相移對同周期噪聲的抑制作用，如圖6所示。充電時如果SCF驅動脈沖和噪聲的波峰同相，噪聲產生的電流分量會疊加到電流的充放電波形上。此時，充電電流會因噪聲而增加，造成計測結果大于實際容量。如果噪聲產生的容量大于手指接觸所產生的電容增加量，就會發生由于噪聲的干擾，即使無觸摸動作，判定結果卻為ON的誤判。因此，需要按照一定的規則對SCF驅動脈沖執行180°相移，通過反轉驅動脈沖和噪聲的同步關系，平衡因噪聲造成的電流量增減。多項式計算器的次數和頻率，可以通過CTSU的寄存器調整。
此外，位移對策不僅可以抑制同頻率的噪聲，對頻率為驅動脈沖頻率奇數倍的噪聲同樣有效。
圖.6 同周期噪聲的影響和180°相移對同周期噪聲的平衡化
SCF驅動脈沖的邊沿擴散
噪聲頻率是SCF驅動脈沖頻率的整數倍時，驅動脈沖的邊沿會和噪聲同步，對靜電電容的測量造成影響。對于如圖7所示的噪聲，可以利用和驅動脈沖非同步的信號對SCF驅動脈沖的邊沿做歸一化處理，擴展邊沿頻率。如前所述，將調制后的電流輸入到ICO for spread spectrum產生歸一化所用的脈沖，可以避免SCF驅動脈沖與噪聲同步（參考圖8）。
圖.7 SCF驅動脈沖和倍頻噪聲的示例
圖.8 通過擴展時鐘對SCF驅動脈沖歸一化
軟件對策
CTSU內置的抗干擾電路無法消除數kHz以下的低頻噪聲。數kHz頻域的低頻噪聲需要通過軟件方法消除。以下舉例說明抑制低頻噪聲的軟件對策。
漂移校正處理
觸摸檢測的結果會受到溫度、濕度、材料老化等環境變化的影響。這些頻率為數kHz以下的緩慢變化，很難通過硬件處理。因此，需要通過軟件積分的方法抑制這些低頻噪聲的干擾。
漂移校正的工作原理如圖9所示。如前所述，基準值以及在其基礎上生成的ON/OFF閾值是由軟件計算生成的。計測值和生成的閾值逐次比較，進而判定觸摸或非觸摸（ON/OFF）。計測值積分運算后的結果取平均值作為基準值，可以平緩環境變化對計測值造成的變動。變更積分運算所用的計測值的個數，可以調整對環境變化的適應性。
此外，當判定結果為ON時，暫停漂移校正處理；當后續的判定結果出現OFF時，再重啟漂移校正處理。如果判定為ON時繼續執行漂移校正處理，長時間的觸摸動作會造成基準值逐漸接近計測值，并最終等于計測值。這時，會出現結果為OFF的誤判。因此，當判定結果為ON時，要暫停漂移校正處理，防止結果誤判。
圖.9 漂移校正處理
隨機噪聲的對策
為了抑制隨機噪聲對計測值的干擾，軟件中增加了對計測值進行平滑處理的軟件濾波器。以下通過實例對軟件濾波器進行說明。
(1) 平滑濾波器
平滑濾波器的實例，如圖10所示。在本例中，使用本次計測值及前3次計測值（共計4次）的平均值作為本次檢測的計測值。通過調整計算平均值所用的計測值的個數，可以抑制不同頻率的噪聲。例如，計測周期 = 20ms時，為了抑制10Hz的噪聲（噪聲周期 = 100ms），需要使用5個以上的計測值來計算平均值。需要注意的是，用于計算平均值的計測值個數越多，觸摸鍵的反應速度越慢。
圖.10 平滑濾波器的示例
(2) 上限濾波器
上限濾波器首先比較本次計測值和前次計測值。如果二者的差值大于預先設定的差值上限，則將前次計測值與差值上限之和作為本次的計測值。當系統中出現爆發式噪聲時，計測值會出現劇烈的變化。使用上限濾波器，能夠實現平穩計測值的作用。通過限制計測值的急劇增減，抑制因噪聲造成的觸摸/非觸摸的誤判。由于上限濾波器削減了噪聲的峰值，因此在抑制噪聲方面，比前面介紹的平滑濾波器更為有效。但同樣需要注意的是，設定時縮小差值的上限/下限，會增加觸摸檢測的時間，從而降低觸摸鍵的反應速度。
抖顫噪聲的對策
和機械觸點型開關相同，使用觸摸鍵有時也需要消除抖顫。以下說明消除抖顫的對策。
(1) N次一致法
判斷觸摸鍵ON→OFF、OFF→ON的狀態變化時，如果連續N次的判斷結果均一致，即N次的判斷結果均為ON或均為OFF時，判定為ON或者OFF。增加連續一致的次數N，可強化抑制抖顫的效果，但會降低觸摸鍵的反應速度。
(2) 多數一致法
累計一定時間內的ON或者OFF的次數，將次數多者作為本次的判斷結果。和上述的N次一致法相比，多數一致法的判斷速度更快，但去抖顫能力相對較低。
結論
利用靜電電容式觸摸檢測技術，可以減少機械部件的使用，降低成本，并可靈活應用于各種面板上。電容式觸摸技術在使用時需要特別注意抗干擾的處理。分別針對不同噪聲干擾頻段，結合使用硬件及軟件抗干擾措施，可以有效提高靜電電容式觸摸檢測系統的可靠性。
