普通I/O口实现电容触摸感应的解决方案

技术背景

现在电子产品中，触摸感应技术日益受到更多关注和应用，不仅美观耐用，而且较传统机械按键具有更大的灵敏度、稳定性、可靠性，同时可以大幅提高产品的品质。触摸感应解决方案受到越来越多的IC设计厂家的关注，不断有新的技术和IC面世，国内的公司也纷纷上马类似方案。Cpress公司的CapSense技术可以说是感应技术的先驱，走在了这一领域的前列，在高端产品中有广泛应用，MCP推出了mTouch，AT也推出了QTouch技术，FSL推出的电场感应技术与MCP的电感触摸也别具特色，甚至ST也有QST产品。

但是目前所有的触摸解决方案都使用专用IC，因而开发成本高，难度大，而本文介绍的基于RC充电检测(RC Acquisition)的方案可以在任何MCU上实现，是触摸感应技术领域革命性的突破。首先介绍了RC充电基础原理，以及充电时间的测试及改进方法，然后详细讨论了基于STM8S单片机实现的硬件、软件设计步骤，注意要点等。

一、RC充电检测基本原理

RC充电检测基本原理是对使用如PCB的电极式电容的充电放电时间进行测量，通过比较在人体接触时产生的微小变化来检测是否有‘按下’动作产生，可选用于任何单独或多按键、滚轮、滑条。

如图1(a)所示，在RC网络施加周期性充电电压Vin，测量Vout会得到如(b)的时序，通过检测充电开始到Vout到达某一门限值的时间tc的变化，就可以判断出是否有人体接触。图2显示出有人体接触时充电时间会变长。

实现电路如图3，使用一个I/O口对PCB构成的电容充电，另一个I/O口测量电压，对于多个按键时使用同一个I/O口充电。R1通常为几百K到几M，人体与PCB构成的电极电容一般只有几个pF，R2用于降低噪声干扰，通常为10K。

二、充电时间测量方法

对充电时间的测量可以使用MCU中定时器的捕捉功能，对于多个按键一般MCU没有足够的定时器为每个按键分配一个，也可以使用软件计时的方法，这要求能对MCU的时钟精确计数，并且保证每个周期的时钟个数保持一定。这种情况通常要求对按键使用一个独立的MCU，以保证不被其他任务中断。

为了提高系统的可靠性和稳定性，改进的测量方法是对Vout进行高和低两个门限进行测量。如图4所示，通过对t1和t2的测量，从而达到更可靠的效果。另外，多次测量也是有效的降低高频干扰的有效方法。

实际应用中可以使用数字信号的方式直接测量t1和t2，因为数字信号的‘1’和‘0’也都有最高与最低输入门限。使用软件查询方式测量，通过固定频率检测输入脚，其中‘0’的个数就是t1，‘1’的个数就是t2，实际上就是输入信号上升到VIHmin和下降到VILmax的时间。

三、PCB设计注意事项

不论是单按键、多按键、滑条、滚轮设计，还是混合应用，都可以使用一个I/O进行充电，即可减少资源应用，又可以因使用同一定时标准从而简化软件设计。

用于传递按键信号的线一定要足够的细，以降低线路造成的电容的影响，信号线间距为两倍线宽，不同组的信号间距应保证3mm～5mm。同组的信号线长度应尽量保持一致，不同组的信号线不可以交叉。独立按键的形状可设计为、圆、三角或正多边形，尺寸以10mm～15mm为宜。滑条的形状可以是长方形或锯齿形，滚轮可以设计为幅射的扇形或环形，也可以是交错的齿轮，每个部分之间应保持0.2～0.5mm。按键PCB层 不应该覆铜，否则会影响感觉的灵敏度，而反面可以覆铜，可以减少干扰。

按键除设计为单通道模式，还可以设计为多通道模式，通过对附近按键的感应信号强度判断手指的位置，甚至可设计出‘连续’的滑动效果。

LED经常在感应设计中用来指示按键是否有效按下，注意按键的地或电源线就尽量短，线路较长时宜增加1nF的滤波电容。

另外，建议电源电路使用线性电源而不是开关电源，这对提高感应灵敏度很重要。

四、软件设计流程

ST公司设计了完整的基于RC充电检测的电容式感应触摸方案的完整设计，包括PCB和完整的源程序，以及基于STM8S的标准触摸感应库(Touch Sense Library：TSL)和应用API接口，采用易于移植的C设计，用户可以方便地应用于其他任何MCU系统中。因为RC充电理论涉及的专利已经对公众开放，所以完全没有专利的限制。

图7是ST的触摸感应设计库TSL的架构示意。

ST的TSL内容包括滤波和校正算法，环境变化系统，自动根据环境温度、湿度、电压、灰尘等因素调整配置参数。提供了包括单通道和多通道的感应设计API函数，层次驱动的项目工程。基于STM8Sxxx-TS1-EVAL演示板的软件在STVD开发平台下设计，使用COSMIC-C语言编译器，包括完整的源代码，篇幅有限，不能详述。

结论：

通过实验，我们使用STM8S的触摸感觉按键与CY的CAPSENSE触摸按键的效果进行了对比，结果证明二者在灵敏度与可靠性方面不相上下，在水浸、增加覆盖物情况下，本方案适应性更佳。