基于PSoC片上系统芯片的非接触式感应按键界面设计

本文采用PSoc片上系统芯片，实现了非接触式、稳定可靠的电容式感应按键的设计。

1 PSoC片上系统

PSoC微处理器由处理器内核、系统资源、数字系统和模拟系统组成。PSoC片上系统包含8个数字模块和12个模拟模块。这些模块都可进行配置，用户通过对这些模块进行配置，定义出用户所需要的功能。数字模块可配置成定时器、计数器、串行通信口（UARTS）、CRC发生器、PWM脉宽调制等功能模块。模拟模块可配置成模数转换器、数模转换器、可编程增益放大器、可编程滤波器、差分比较器等功能模块。数字模块和模拟模块也可构成调制解调器、复杂的马达控制器、传感器信号的处理电路等。

2 电容式感应原理

电容开关是一对相邻电极，在电极之间有很小的电容。当一个导体接近两个电极时，在电极与导体之间会产生一个耦合电容。在这里，手指就是这个导体，通常电容开关的形式是一边接地的电容，导体的存在增加了开关到地之间的电容。检测是否有手指靠近，也就是检测是否有按键按下，可依据电容的变化来判断。检测电容变化的方法有很多：电流与电压相位差检测、电容构成振荡器进行频率检测、电容桥电荷转换检测。因为电容桥电荷转换检测的方法较适用于大量按键扫描和PSoC的性能，所以在此采用该方法进行检测。

电荷转换电路从概念上来说与R－C充放电电路相似，如图1所示。电荷转移的优点是不需要附加电阻器件。CP感应的电容，它的值随着电极材料上所加导体而改变。Csum是参考总电容。

在检测周期开始，通过一个复位开关把Csum上的电荷全部放掉。然后通过单刀双向开关使Cp工作在非重迭的周期上。在第一半周，Cp连接到VDD充电。当CP上的电荷以由CP值决定的速度充到VDD时，开关断开，然后把开关连接到Csum，Cp上的电荷转移到Csum中。

在图1中，因为Csum的电容值比Cp大得多，所以Csum上的电压值在充电的每一周期内只有微小的增加。这个Cp到Csum上的电荷转换周期重复许多次，以使Csum上积累到一个大的信号值。当连接到VDD时，电容Cp上的电荷为：

Q＝CV （1）

不是Cp上的所有电荷都转移到Csum中。当Cp上的电压跌落到Csum上的预存电压时，转换便不再进行。为检测感应的电容值是否有改变，可通过Cp－Csum的充放电方式，把Csum充到固定的阈值VTH，再计算到达这个阈值时的周期数。在任意采样点n，Csum上的电压值为：



图2示出了充放电115ms后的电荷转换波形。其充放频率为6MHz，所以其转换次数为700次。

式（2）很明显是一个指数函数，即电压值Vsum为：



检测Cp的变化率，可通过比较Vsum和VTH得到。即计算Vsum充到VTH时的充放电次数n：



当手指靠近时，Cp变成电极感应电容和手指接近产生的耦合电容之和CF＋P，所以Csum充电到阈值VTH的速度更快，充放电周期数n也就更小：




这样，检测是否有键按下就简化成了检测周期数的变化率Δn＝n－nF＋P。当Δn＞nTH时，表明有手指靠近。