第14章 电容感应模块讲解

电容感应算法 --电容感应Δ-Σ算法
4．触摸时感应电容增加，因此等效电阻减少。这样 就引起流经感应等效电阻的电流增加。
第14章 电容感应模块
何宾 2012.05
本章内容
本章主要是介绍PSoC5内的电容总线模块，电容感应 模块是PSoC芯片最重要，也是最有特点的功能单元，电容 感应触摸被广泛的应用在各种嵌入式应用中。
本章内容主要包括：
电容感应模块的结构； 电容感应Δ-Σ算法； 电容触摸感应的实现；
电容感应触摸模块的结构
电容感应触摸模块的结构
3．模拟复用总线
除了SIO和USB引脚外，所有的GPIO引脚均支持电容 感应操作。用于电容感应基本模拟复用总线是AMUXBUS ，该总线有两个网络(AMUXBUSL和AMUXBUSR)用于两 个同步的感应操作。这些也能被短路生成单个网络，该网 络连接到所有的GPIO。
AMUXBUSL和AMUXBUSR网络连接到各自一半的 GPIO，支持电容感应方法的所有特征。电容感应使用 AMUXBUS网络、AMUXBUSR的模拟全局网络AGR[0]和 AMUXBUSL的模拟全局网络AGL[0]，提供到参考源的反 馈。这个反馈通常是来自于外部电容连接的引脚，这个电 容用于积分或者调制电容。
在普通模式下，在600ns内驱动电容最大到100pF； 在高驱动模式下，在15us内驱动电容最大到30nF。
电容感应触摸模块的结构
2．低通滤波器 提供两个可调的低通滤波器（Low Pass Filter，LPF） 。每个LPF通过2:1复用开关选择输入。
在左侧，LPF输入是AMUXBUSL和AGL[0]； 在右侧，LPF输入是AMUXBUSR和AGR[0]。
电容感应算法
电容感应Δ-Σ算法
下面给出CSD算法的具体实现步骤：
1．当积分电压达到参考电压时，比较器将使电流 DAC对电容进行放电。
2．当电容放电电压低于参考电压时，禁止IDAC，以 允许电容连续的充电。
3．当积分电容电压在比较器门限附近波动的时候， 在一个间隔内对比较器的低输出进行计数，然后给出感 应电容的测量结果。
使用LPF.CRO寄存器的swin[1:0]位选择LPF的输入。通 过开关将LPF的输出连接到abusl[0]和abusr[0]。可调的LPF 允许用户选择R值为200kΩ或者1000kΩ，C值为5pF或者为 10pF。
LPFx_CR0寄存器内的rsel和csel位用来选择电阻和电容 。LPF的控制寄存器为LPF0_CR0和LPF1_CR0。
电容感应触摸模块的结构
(a) 通过感应电阻对MUXBUS充电 (b) 通过感应电阻对MUXBUS放电
电容感应触摸模块的结构
用下式计算等效电阻：
其中：
RS

1 ( fsCs )
Cs=传感器电容 φ1,φ2=非重叠的时钟，可以用伪随机序列发生器产生 （pseudo random sequence, PRS）。 fs=时钟频率 Cmod=外部调制电容；
2）到I/O引脚的DSI输出能用于来自UDB的 电容感应的时钟源。编程PRTx_BIE[y]用于输入（每端口 /每引脚），并且清除PRT[x]_CAPS_SEL[y]选择DSI输出 作为电容感应的时钟。
电容感应模块的结构
注意：静态连接外部的集成电容Cmod（没有切 换），使用PRT[x]_AMUX寄存器将其连接到AMUXBUS， 并且PRTx_CAPS_ SEL[y]=0，PRTx_BIE[y]=0。
电容感应触摸模块的结构
4．GPIO配置 右图给出了GPIO结构。端口模拟 全局复用寄存器（PRT[x]_AMUX）被 用来连接端口引脚到模拟复用总线。 设置CAPSx_CFG1寄存器的io_ctrl[1:0] 来使能上拉或下拉。 下图给出了在两种配置的感应电容 的切换，用来将电容转换成相对应的电 阻进行测量。
电容感应算法
--电容感应Δ-Σ算法
下图给出了CSD算法的波形图。
电容感应算法
--电容感应Δ-Σ算法
电容感应Δ-Σ通过将积分电容的电压保持在目标门 限的附近，并且基于Baidu Nhomakorabea前的比较器的输出状态对电容进行 充电和放电操作来实现的。
感应电容在Vdd和积分电容之间进行连续的切换，用 来在每个切换周期内驱动积分电压升高。
GPIO引脚能作为屏蔽电极。屏蔽电极用于帮助在出 现水膜或水滴的情况下，提高操作的可靠性。测量这些影 响因素在屏蔽电极的影响，并且从电容感应按键中消除。 下面讨论的电容感应算法支持屏蔽电容。
电容感应Δ-Σ算法
下图给出了电容感应Δ-Σ（Capsense Delta Sigma, CSD） 的硬件配置。
电容感应的方法通过将GPIO引脚在高低电平之间 切换实现。硬件的剩余部分配置成合适的极性来匹配上
拉或下拉电阻。
电容感应模块的结构
电容感应时钟用于切换。可以使用两种方法来产生 CapSense时钟：
1）UDB产生两个全局时钟(caps_dsi_lft和 caps_dsi_rt)，并且布线到各自一侧的I/O引脚的GPIO逻 辑。设置PRT[x]_CAPS_SEL[y]寄存器（基于每端口/每引 脚模式）来选择用于在测量期间切换传感器的全局时 钟；
电容感应触摸模块的结构
电容感应触摸模块的结构
1．参考驱动 这个驱动器用来快速的初始化网络到独立于供电电源 的一个电压。这个能力加速了电容扫描，并且改善了电源 抑制比。两个参考驱动独立运行；一个驱动到AMUXBUSL ，另一个驱动到AMUXBUSR。通过设置CAPSX_CFG0寄存 器的out_en位，将驱动器连接到AMUXBUS。 参考驱动支持普通和高驱动模式，通过设置 CAPSX_CFG0寄存器的boost位选择驱动模式。
电容感应触摸系统提供了丰富和高效的手段来测量 电容量，比如触摸感应按键，滑动块，接近度检测。下 图给出了电容感应模块的结构图。
电容感应触摸系统使用系统资源配置，包括一些用于 电容感应触摸的硬件功能。该模块的主要特点有：
同时支持扫描两个电容传感器； 可配置的低通滤波器来消除开关噪声，用于精确测量； 用于更快速测量的带有高驱动模式的参考缓冲区。