MSP430电容式单触摸传感器设计指南(中文)

MSP430电容式单触摸传感器设计指南Vincent Chan, Steve Underwood MSP430摘要此应用报告探讨了基于MSP430的RC类型的电容式单触摸传感器设计方案。

MSP430具有一些独特的性质。

MSP430的特性使得它适合作为电容式触摸传感器的接口。

RC型设计方案不需要特别的外围设备，能够完全使用MSP430系列产品来实现。

报告中的方案是一种低功耗设计的解决方案。

应用报告中包含了在产品中实现电容式传感器的指南。

目录1 工作原理 (1)2 基本电容测量 (2)3 提高抗噪和灵敏度的技术 (3)3.1 伪差分测量 (3)3.2 软件低通滤波器 (5)3.3 跟踪电容基值 (6)4 处理测量结果 (7)5 制作实验板 (9)5.1 实例演示 (11)6 系统资源 (12)7 电路板设计的考虑 (12)7.1 连接电路板和触摸板 (12)7.2 触摸板的形状和大小 (12)7.3 PCB的厚度和接地面 (15)8 覆盖物 (15)8.1 覆盖物材料 (15)8.2 覆盖物的厚度与灵敏度 (16)8.3 粘合剂和其它填料 (17)8.4 射频发射和敏感度测试结果 (17)9 参考文献 (19)1 工作原理单触摸敏感电容式传感器是由开放式电容结构构成，电容极板间形成的电场能被外部具有导电性的物体，如手指等，干扰。

图1为用PCB实现电容的实例。

焊盘和周围的地之间形成电容，而极板间电场存在于电容上空的区域内。

当手指靠近电容上空时，将干扰电场并引起电容的相应变化。

Figure 1. Open Capacitor Acting as a Sensor.图1. 开放式电容充当传感器.接地层一般被设计在焊盘的下面，用以屏蔽来自其它电子产品或电路模块的干扰。

此类型设计易受PCB上的寄生电容和周围环境的影响，比如温度、湿度等。

因此，需要长时间的监视系统工作环境的变化。

2 基本电容测量这一节介绍基于RC充放电原理的基本电容测量方法和所需的硬件。

RC的放电时间能够用来测量传感器中的电容。

此方法最早由1976年的一个专利（现在已过期）提出。

电容式传感器构成了RC电路中的电容。

测量时采用一条I/O线来对电容进行充放电，并当电容的电压超过所设阈值时产生中断。

电容测量过程如下：1.电阻的一端接传感器，另一端接地。

传感器接到I/O线。

2.I/O端口的输出设为高电平。

这样能很快使电容式传感器的电压接近V CC。

可以采用定时器记录开始时间。

本例中使用Timer_A中的TAR。

3.I/O设置为输入在下降沿产生中断。

然后电阻对电容式传感器放电。

微控制器进入低功耗模式0.4.当传感器的电压经过V IL就产生中断。

5.中断服务程序再次读取计时器并计算放电至电压V IL所需要时间。

6.微控制器退出低功耗模式继续运行。

放电时间和传感器焊盘的电容容量成正比。

因此，为了提供足够的测量精度，RC放电必须足够慢。

为了确保足够的放电时间，采用接近6 MΩ的电阻。

采用这个阻值的电阻，电容的充电电流只有大约500 nA。

因此，I/O端口的泄漏电流必须很小。

MSP430 I/O端口的最大泄漏电流为50 nA，因此比较适合用此方法感应电容容量。

端口1和端口2分别有八个独立的中断线，因此在一个系统中一次最多可以检测16个传感器。

图2描述了为前面描述的方法。

图2底部的条状显示了微控制器的活动状况，它在超低功耗的应用中十分重要。

采用MSP430构造的检测器每次按键消耗的电流仅为10 µA到20 µA，这在低功耗的遥控器中很重要，因为检测器将一直处于工作状态。

Figure 2. Charge-Discharge Sequence.图2. 充放电顺序.3 提高抗噪和灵敏度的技术高阻抗系统虽然有低功耗的优点，但是对噪声很敏感。

系统中的噪声主要来自经人体传播的50/60 Hz工频干扰，以及系统电源。

可以用两种技术来解决存在的噪声问题。

此文档中，灵敏度定义为当手指覆盖焊盘时造成的有效电容变化，也称之为C delta。

3.1 伪差分测量图3中采用简单的硬件技术过滤掉共模噪声，并利用充放电时间长度计算电容的大小。

测量值的平均值将用于下一步骤的计算中。

如果快速、连续的执行这两个测量，相对于较慢的共模噪声来说，测量结果的平均值能够被近似为一个差分信号，因此可以用这种方法减小工频噪声。

在测量周期中，对电容冲放电时间测量有不同的阈值电平，因此存在着静态测量误差，并反应为测量电容值的误差。

设计的应用是为了检测电容相对于基值或标准值的变化，因此由充放电阈值电平不同给电容测量带来的误差不会对检测产生影响。

Figure 3. Measurement Cycle for Improved Noise Rejection.图3. 改进的抑制噪声的测量环.为了实施这个方案，在两个I/O间接一个电阻（见图4）。

当P1.0用来感应触摸板时，P1.1转为输出模式并充当充放电循环的电源和地。

当P1.1用来感应触摸板时，P1.0转为输出模式并充当充放电循环的电源和地。

这种方法的另一优点就是系统中所需的电阻数目减少一半。

Figure 4. Multi-Sensor Charge/Discharge Configuration.图4. 多个传感器充放电结构.3.2 软件低通滤波器前级的输出需通过附加的IIR滤波器。

这实际是一个直流追踪滤波器。

此滤波器可以滤除所有残余噪声并增加焊盘的灵敏度。

虽然降低了测量速度，但提高了系统的整体性能。

图5为滤波器的结构。

Figure 5. Software Low-Pass Filter.图5. 软件低通滤波器.滤波器的输入是焊盘的瞬时检测到的焊盘电容值和电容基值的差值。

电容基值是焊盘处于开放状态时的电容值。

图6 为使用示波器捕捉的，由手指隔着1 mm厚的塑料材料触摸传感器所引起的电容变化。

在图中能够清晰的看到50/60 Hz的工频干扰。

Figure 6. Oscilloscope With Mains Noise.图6. 有电源噪声的示波器.图7 为增加一个软件数字滤波器对捕捉信号滤波改进后的结果。

此滤波器有效的抑制了50/60 Hz的工频干扰，同时也对信号进行了放大。

Figure 7. Oscilloscope With IIR Filter.图7. 带有IIR滤波器的示波器.3.3 跟踪电容基值触摸板的电容基值（当触摸板开放在空气中的电容值）随温度变化而产生改变。

因此，对这个缓慢变化的跟踪在系统设计中很重要。

跟踪周期一般是几分钟而不是几秒钟。

对这一特性的跟踪速度是不对称的，对电容基值增长的跟踪速度比对电容基值减少的跟踪速度慢(在此应用中其比例为10)。

例如，当手指慢慢接近触摸板，检测器的反应速度应较慢，以避免影响检测器的检测灵敏度，而当手指移走时，检测器迅速回到处于开放空间中的原始值。

图8显示了这个过程。

当接触板被手指激活，调制器停止工作。

Figure 8. Tracking Base Capacitance Flow Chart.图8. 追踪电容基值的流程图.4 处理测量结果IIR输出的结果应是具有很好分辨度的电容值。

方案中提供了简单的以单键按钮、或滑动器为基础的测量方案。

在此应用实例中，滑动器是由14个焊盘按照电话拨号装置的方式排列组成的（如图9所示）。

Figure 9. Slider Function.图 9. 滑动器功能.采用了加权平均的方法构建一个测量用滑动器。

此方法能够对每两个焊盘之间进行16步的精确定位，因而滑动器中的16个键总共产生了240步的测量精度。

gain C i C C i C i C ni delta delta n i delta delta s Hi ×−−−−×=∑∑==11Re min)]1[(]min)]1[()[( Figure 10. Weighted Averaging Method.图 10. 加权平均值法.图11为手指向上和向下滑动滑动条的输出结果，其中滑动条由五个电容焊盘组成。

线性结果显示了测量方法针对每个焊盘可以产生多步测量精度，结果中测量的最大值和最小值之差大致为60个计数周期.Figure 11. Slider Output Steps.图 11. 滑动器输出步骤.5 制作实验板可以用MSP430F2013来演示滑动器功能。

F2013是MSP-EXP430FG4618实验板的一部分（如图12所示）。

Figure 12. MSP430 Experimenter's Board.图12. MSP430实验板.实验板上有16个焊盘，它们排列成数字4的形状（如图13所示）。

I/O重复驱动这些焊盘。

Figure 13. Experimenter's Board Pad Layout.图13. 实验板焊盘布局.MSP430触摸板处理器和主处理器连接在一起，主处理器接收触摸板的输出并显示出来。

它也把数据发送到PC，应用程序可以将这些数据以不同的形式显示（如图14所示）。

Figure 14. Touchpad Processor.图14. 触摸板处理器.5.1 实例演示演示代码在EXP430FG4618上运行。

为了运行此实验，必须先连接FET和JTAG把主软件FG4619_host_comms装载在U3上。

PC上运行的程序（touch_strip.exe）和与板连接的串口COM1一起运行。

然后把应用程序载入目标设备U4。

这个应用报告中包含两个应用实例：1.使用五个焊盘（焊盘7，6，1，4）产生滑动功能并输出从1到255中的一个技术值。

当手指沿着滑动器移动，读数通过I2C发送给具有LCD驱动的主处理器(MSP430FG4618)。

显示的数字是递增或递减的数字。

PC上运行的程序touch_strip.exe能够把这个数字显示在音量栏上（数字通过UART发送）。

2.用五个焊盘（焊盘1，3，0，6）检测按键从一到五按下。

当手指按每个按钮，数字就会通过I2C发送给主处理器（MSP430FG4618）。

按键的数字会通过UART显示在PC程序touch_strip.exe上，并且指向被按键方向（4=上，0=下，3=右和6=左）的箭头也显示在LCD屏幕上。

6 系统资源前面叙述的基于I2C通信的滑动器用到的系统资源如下：1 1950 bytes 的ROM2 96 bytes的RAM3 低于0.1 MIPS实际需要的MIPS很小，因为处理器的大部分时间处在睡眠模式。

只有所需RAM的大小随按键数目增至16时也将成比例的增长。

7 电路板设计的注意事项7.1 连接电路板和触摸板触摸板的连线应该尽可能短，因为连线可以增加基电容。

保持连线形状尽可能一致很重要，因为弯曲能够影响整体电容的变化。