第14章 电容感应模块
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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]。
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。
接受其它参数默认设置； 点击“OK”按钮，关闭属性设置界面。
创建和配置工程
--添加并配置字符LCD
下面给出添加并配置字符的步骤，主要步骤包括： 1．拖动Character LCD并将其放置在原理图中（ Component Catalog->Display-> Character LCD）。 2．双击LCD_Char_1元件。 3．设置参数如下：
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。
电容触摸感应实现
该设计实现电容感应的应用。开发板首先初始化液 晶屏和元件。在主循环中，它扫描两个按钮是否有激活 。并且在LCD上显示触摸感应的状态。
电容触摸感应实现
--创建和配置工程
1．在计算机上的桌面上，选择开始->所有程序>Cypress->PSoC Creator 2.0->PsoC Creator 2.0。打开PSoC Creator软件；
创建和配置工程
--添加并配置CapSeLeabharlann Baiduse
创建和配置工程
--添加并配置CapSense
选择Buttons条目，在按钮
上，连续点击两次，
添加两个触摸按键部件Button0和Button1；
选择Linear Sliders条目，在按钮 添加触摸滑块部件LinearSlider0；
上，点击一次，
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。
LCD_DisplayState(); } }
/************************************************************************** ***** *函数名字: LCD_DisplayState *************************************************************************** ****/
创建和配置工程
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，并且基于目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。
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。
2．在PSoC Creator 2.0软件的主界面下，选择File>New->Project...；
3．在New Project窗口，选择Empty PSoC5 Design模 板，并将工程命命名为CapSense_CSD _Design。选择工程
保存路径，点击“OK”按钮；
创建和配置工程
--添加并配置CapSense
Name: LCD LCD Custom Character Set: Horizontal Bargraph。 Include ASCII to Number Conversion Routines:选中 其它按照默认设置
4．点击“OK”，关闭属性设置界面。
创建和配置工程
--配置引脚
下面给出配置管脚的步骤，主要步骤包括：
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；
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。
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；
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。
下面给出添加并配置CapSense的步骤，主要步骤包括： 1．拖动并且放置CapSense到原理图内（Component
Catalog->CapSense-> CapSense_CSD）。 2．双击器件原理图内的CapSense_CSD符号，打开配
置窗口。如下图所示，在Widget(部件)配置窗口中按下 面步骤添加触摸按键和触摸滑块部件：
创建和配置工程
--编写程序
/* 初始化CapSense CSD ，并且启动传感器扫描循环*/ /*启动CapSense和基线*/ CapSense_CSD_Start();
/* I初始化基线 */ CapSense_CSD_InitializeAllBaselines();
/* 启动扫描所有使能的传感器*/ CapSense_CSD_ScanEnabledWidgets();
创建和配置工程
--配置引脚
创建和配置工程
--编写程序
#include <device.h>
/* Need for Bargraph */ extern uint8 const CYCODE LCD_customFonts[]; uint16 curPos, oldPos;
void main() { /* 使能全局中断*/ CyGlobalIntEnable; LCD_Start(); LCD_LoadCustomFonts(LCD_customFonts); LCD_Position(0u, 0u); LCD_PrintString("CSD01");
选择Button0，出现下图所示的界面，按下面参数设置触摸按 键的属性。
创建和配置工程
--添加并配置CapSense
选择Buutton1，按照Button0的属性来设置Button1的属性，即 两个触摸按键的属性一样。下图设置触摸滑块的属性。
选择LinearSlider0，出现下图所示的界面，按下面的参数设置 触摸滑块的属性。
电容感应算法 --电容感应Δ-Σ算法
PSoC也支持其它CSD算法： 1）基于比较器的输出，开关电容电阻用来对积分电 容进行充电，外部的泄漏电阻器用来对积分电容进行放 电。 2）基于比较器的输出，翻转极性，IDAC就能被用于 对积分电容进行充电，开关电容电阻将积分电容对地进 行放电(图7 .32(b))。
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。
1．从Workspace Explore，双击CapSense_CSD_Design.cydwr文 件。
2．点击pin标签。 3．如下图所示，为Cmod_CH0、Button0_BTN0、 Button1_BTN、LinearSlider0_e0_LS~ LinearSlider0_e4_LS、和 \LCD:LCDPort\[6:0] 分配引脚。
while(1u) {
/* 更新所有的基线*/ CapSense_CSD_UpdateEnabledBaselines();
创建和配置工程
--编写程序
/* 启动扫描所有的传感器*/ CapSense_CSD_ScanEnabledWidgets();
/*显示CapSense状态*/ while(CapSense_CSD_IsBusy() != 0){}
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。
5．在触摸时，为了将Cmod的电压保持在VREF附近， IDAC的吸收电流用于长期补偿较大的感应电容。这样就 相应的改变计数值。
一个PRS时钟用来替换固定的时钟源来驱动预充电 开关。与固定时钟源相比较，PRS时钟降低了感应电容上 的辐射噪声，因此改善了EMI和干扰性能。
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]。
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。
接受其它参数默认设置； 点击“OK”按钮，关闭属性设置界面。
创建和配置工程
--添加并配置字符LCD
下面给出添加并配置字符的步骤，主要步骤包括： 1．拖动Character LCD并将其放置在原理图中（ Component Catalog->Display-> Character LCD）。 2．双击LCD_Char_1元件。 3．设置参数如下：
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。
电容触摸感应实现
该设计实现电容感应的应用。开发板首先初始化液 晶屏和元件。在主循环中，它扫描两个按钮是否有激活 。并且在LCD上显示触摸感应的状态。
电容触摸感应实现
--创建和配置工程
1．在计算机上的桌面上，选择开始->所有程序>Cypress->PSoC Creator 2.0->PsoC Creator 2.0。打开PSoC Creator软件；
创建和配置工程
--添加并配置CapSeLeabharlann Baiduse
创建和配置工程
--添加并配置CapSense
选择Buttons条目，在按钮
上，连续点击两次，
添加两个触摸按键部件Button0和Button1；
选择Linear Sliders条目，在按钮 添加触摸滑块部件LinearSlider0；
上，点击一次，
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。
LCD_DisplayState(); } }
/************************************************************************** ***** *函数名字: LCD_DisplayState *************************************************************************** ****/
创建和配置工程
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，并且基于目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。
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。
2．在PSoC Creator 2.0软件的主界面下，选择File>New->Project...；
3．在New Project窗口，选择Empty PSoC5 Design模 板，并将工程命命名为CapSense_CSD _Design。选择工程
保存路径，点击“OK”按钮；
创建和配置工程
--添加并配置CapSense
Name: LCD LCD Custom Character Set: Horizontal Bargraph。 Include ASCII to Number Conversion Routines:选中 其它按照默认设置
4．点击“OK”，关闭属性设置界面。
创建和配置工程
--配置引脚
下面给出配置管脚的步骤，主要步骤包括：
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；
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。
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；
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。
下面给出添加并配置CapSense的步骤，主要步骤包括： 1．拖动并且放置CapSense到原理图内（Component
Catalog->CapSense-> CapSense_CSD）。 2．双击器件原理图内的CapSense_CSD符号，打开配
置窗口。如下图所示，在Widget(部件)配置窗口中按下 面步骤添加触摸按键和触摸滑块部件：
创建和配置工程
--编写程序
/* 初始化CapSense CSD ，并且启动传感器扫描循环*/ /*启动CapSense和基线*/ CapSense_CSD_Start();
/* I初始化基线 */ CapSense_CSD_InitializeAllBaselines();
/* 启动扫描所有使能的传感器*/ CapSense_CSD_ScanEnabledWidgets();
创建和配置工程
--配置引脚
创建和配置工程
--编写程序
#include <device.h>
/* Need for Bargraph */ extern uint8 const CYCODE LCD_customFonts[]; uint16 curPos, oldPos;
void main() { /* 使能全局中断*/ CyGlobalIntEnable; LCD_Start(); LCD_LoadCustomFonts(LCD_customFonts); LCD_Position(0u, 0u); LCD_PrintString("CSD01");
选择Button0，出现下图所示的界面，按下面参数设置触摸按 键的属性。
创建和配置工程
--添加并配置CapSense
选择Buutton1，按照Button0的属性来设置Button1的属性，即 两个触摸按键的属性一样。下图设置触摸滑块的属性。
选择LinearSlider0，出现下图所示的界面，按下面的参数设置 触摸滑块的属性。
电容感应算法 --电容感应Δ-Σ算法
PSoC也支持其它CSD算法： 1）基于比较器的输出，开关电容电阻用来对积分电 容进行充电，外部的泄漏电阻器用来对积分电容进行放 电。 2）基于比较器的输出，翻转极性，IDAC就能被用于 对积分电容进行充电，开关电容电阻将积分电容对地进 行放电(图7 .32(b))。
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。
1．从Workspace Explore，双击CapSense_CSD_Design.cydwr文 件。
2．点击pin标签。 3．如下图所示，为Cmod_CH0、Button0_BTN0、 Button1_BTN、LinearSlider0_e0_LS~ LinearSlider0_e4_LS、和 \LCD:LCDPort\[6:0] 分配引脚。
while(1u) {
/* 更新所有的基线*/ CapSense_CSD_UpdateEnabledBaselines();
创建和配置工程
--编写程序
/* 启动扫描所有的传感器*/ CapSense_CSD_ScanEnabledWidgets();
/*显示CapSense状态*/ while(CapSense_CSD_IsBusy() != 0){}
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。
5．在触摸时，为了将Cmod的电压保持在VREF附近， IDAC的吸收电流用于长期补偿较大的感应电容。这样就 相应的改变计数值。
一个PRS时钟用来替换固定的时钟源来驱动预充电 开关。与固定时钟源相比较，PRS时钟降低了感应电容上 的辐射噪声，因此改善了EMI和干扰性能。