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近來(lái)在便攜式媒體播放器、筆記型計算機、手機市場(chǎng)中陸續出現的各項令人感到興奮的電容式感測技術(shù)之應用，讓人幾乎忘了這類(lèi)界面技術(shù)早已廣泛地應用于家電用品的設計中許多年了。感測算法與控制電路兩方面的重大進(jìn)展，讓這項技術(shù)適用于更多的應用領(lǐng)域。設計人員看到了電容式感測技術(shù)的價(jià)值所在—不僅可取代機械式按鍵與膜片開(kāi)關(guān)；并可適用于各項新穎的應用，如：觸控式屏幕與近距傳感器等。 感測電容 電容式傳感器是由導體片、接地面、與控制器所構成。在多數的應用中，導體片會(huì )用一片銅制電路板，而接地則用灌注填充。這兩者之間存在有原生(寄生)電容(CP)。當其它如手指頭等導電物體接近傳感器時(shí)，隨著(zhù)該物體的電容值(CF)增加，系統的電容值也隨之增加。(如圖1) 要偵測由CF造成電容值增加的方法有好幾個(gè)。場(chǎng)域效應(Field Effect)量測方法中，在感測電容器與系統參考電容器之間使用交流電分壓器。藉由監測電流在分壓器上的改變可以感測到手指觸碰時(shí)所產(chǎn)生的電容值變化。電荷轉移(Charge Transfer)則使用切換式電容器電路以及參考總線(xiàn)電容值，重復進(jìn)行從較小的傳感器電容器至較大總線(xiàn)電容器之間的電荷轉移步驟�？偩�(xiàn)電容器上的電壓值與傳感器電容值兩者之間存在著(zhù)比例關(guān)系，因此在固定次數的步驟后量測電壓值，或藉由計算達到某一電壓臨界值所需的步驟次數，來(lái)決定該電容值。另外，弛張振蕩器(relaxation oscillator)則是用量測充電時(shí)間的方法，其中充電速率通常是由固定電流源的值和傳感器電容值所決定的。較大的傳感器電容器需要較長(cháng)的充電時(shí)間，這部份通常能運用脈沖寬度調變器(PWM)與定時(shí)器來(lái)進(jìn)行量測。至于連續近似法(Successive Approximation)也是量測電容充電時(shí)間的方法，不同的是當中的起始電壓是由連續近似法所決定的。 以PSoC 組件執行的連續近似法(Cypress 申請之專(zhuān)利)采用一組電容對電壓的轉換器以及單斜率模擬數字轉換器(ADC)。其電容值量測方式是先藉由將電容值轉換至電壓值，接著(zhù)將該電壓值儲存于電容器內，然后再利用可調式電流源來(lái)量測所儲存之電壓值。其中電容值對電壓值轉換器乃是利用切換式電容器技術(shù)，此電路系統讓傳感器電容器可依其電容值反映出對應的電壓值。切換式電容器所用的頻率則是由PSoC 本身內部的振蕩器所產(chǎn)生。 傳感器電容器連接到模擬多任務(wù)總線(xiàn)上，并利用同樣連接總線(xiàn)的可編程電流輸出數字模擬轉換器(iDAC)進(jìn)行充電。每個(gè)總線(xiàn)上充電電量為q=CV。當SW2 為開(kāi)路且SW1 為閉路時(shí)，跨CX兩端的電位勢為零，且會(huì )減低總線(xiàn)上的電量，所減低的值與傳感器的電容值成比例。這種充放電的動(dòng)作會(huì )一直重復，此時(shí)傳感器電容器也會(huì )成為總線(xiàn)上的電流負載。(如圖2) 藉由切換式電容器的電路運作，iDAC 就會(huì )以二元搜尋法的方式?jīng)Q定出總線(xiàn)上恒定的電壓值有多少。該電壓值會(huì )影響切換式電容器的切換頻率、傳感器電容值、以及iDAC 的電流值�？偩�(xiàn)其實(shí)也等同于一個(gè)旁路電容器(bypass capacitor)，可以穩定最終電壓。在總線(xiàn)上也可以增加額外的電容器，以調整電路的行為與時(shí)序。 計算所得的iDAC 值接著(zhù)再度用來(lái)對總線(xiàn)充電，并且測量總線(xiàn)從初始電壓到比較器的臨界電壓所需的充電時(shí)間。初始電壓是在沒(méi)有手指觸碰的情形下，因此充電時(shí)間可事先測定。當手指觸碰傳感器時(shí)會(huì )增加CX 的值，并且降低初始電壓，因此會(huì )延長(cháng)充電時(shí)間量測。(如上公式及圖3) 建構傳感器 電容傳感器有多種型態(tài)與功能，可以采用各式各樣的媒介，實(shí)作樣式從簡(jiǎn)單到復雜都有。而決定傳感器建構與建置細節的還是應用本身的需求。最常見(jiàn)的傳感器樣式要屬按鍵與滑桿。按鍵其實(shí)就是連接至控制器的大型導體片，其中所測得的電容值會(huì )與一連串的臨界值作比較，而測定結果也能藉由數字輸出獲得，或用其它模擬特性，以進(jìn)一步感測觸動(dòng)的壓力或手指面積。至于滑桿則是許多導體片以直線(xiàn)或放射狀排列所構成的。利用計算質(zhì)心的算法就可以測定出接觸的位置，而且分辨率遠大于感測所用的針腳數。像按鍵或滑桿這類(lèi)簡(jiǎn)單的電容感測器，絕大多數都會(huì )采用銅片沉積至印刷電路板。然而也能使用其它基板材質(zhì)與沈積媒介物制作電路，例如高導電性的銀墨(silver ink)。(如圖4) 動(dòng)態(tài)使用者接口的按鍵或觸控區則可以任意配置其顯示器樣式。這類(lèi)的顯示器擁有更為平順且直覺(jué)化的互動(dòng)操作，創(chuàng )造更佳的使用者經(jīng)驗。要建構這類(lèi)系統比一般簡(jiǎn)單的按鍵或滑桿更為復雜。投射式電容觸控屏幕在顯示器上多加了透明導電物質(zhì)。這層導電表面利用沈積方式附著(zhù)于玻璃或PET 薄膜這類(lèi)基板上，并且連接至控制電路，接著(zhù)再將此基板黏著(zhù)于觸控表層與顯示器之間。觸發(fā)區域測定方式與滑桿相同�？v向與橫向的兩組滑桿相互交錯以覆蓋整個(gè)顯示區域，而且這兩個(gè)方向的滑桿會(huì )偵測觸動(dòng)位置并且輸出x 軸與y 軸數據。由于投射式電容觸控屏幕上方還有一個(gè)覆蓋層，因此也保護屏幕不受直接沖擊、彎曲、環(huán)境因素影響等常見(jiàn)于傳統電阻式觸控屏幕的傷害。 近距傳感器基本上就是很大的按鍵。近距傳感器的目的并不在偵測導電物體的確切位置，而是物體是否在附近。由于不需知道物體確切位置，因此反應時(shí)間可以稍慢 (3-4ms vs. 250us)。近距傳感器的靈敏度高很多；設計得當甚至可達30cm 的距離。也由于近距傳感器無(wú)須結合任何顯示圖形，因此在裝置中的擺放位置就有更多的彈性。無(wú)論是控制電路板外的銅線(xiàn)圈，或是覆蓋層后方的導線(xiàn)，都可以建置出非�；厩揖叱杀拘б娴慕鄠鞲衅�。(如圖5) 使用電容傳感器 電容傳感器的用途日益廣泛。上述傳感器的彈性、耐用、簡(jiǎn)潔的特性已為許多設計人員創(chuàng )造了新的機會(huì )�；镜倪x單瀏覽和點(diǎn)選功能依然使用按鍵方式，但使用價(jià)格實(shí)惠的電位計這種具備模擬特性的按鍵，就能建置出更多簡(jiǎn)單、具成本效益、可靠又安全的功能。 LG LA-N131DR 空氣清靜機在面板顯示器選單瀏覽的按鍵上中用了五個(gè)電容傳感器。這些按鍵讓設計人員可以設計出平順的機身，同時(shí)也具備使用者接口。電容式按鍵透過(guò)四毫米的玻璃偵測有無(wú)手指觸碰。 控制電路則建置在雙層印刷電路板上沒(méi)有傳感器的一面。LG 采用PSoC 混合訊號數組來(lái)控制傳感器，并且將狀態(tài)輸出至主要的裝置處理器上。(如圖6) 近距傳感器具備反應式背光功能，這主要是為了夜間操作或是安全因素考慮。這些情形多半需要更大的觸發(fā)組件，例如成人的手或是金屬罐子，才有辦法達到可控制的范圍。近距傳感器、按鍵、滑桿、甚至是觸控屏幕，都可利用PSoC 的單一處理器進(jìn)行控制。韌體例程則可依照使用者輸入或主機命令進(jìn)行狀態(tài)的更改。 為您創(chuàng )造電容感測應用 PSoC 混合訊號數組內含一個(gè)包含可組態(tài)的數字與模擬資源、閃存、RAM、8 位微控制器與其它多種功能的數組。這些特色讓PSoC 能在其CapSense 系列產(chǎn)品中實(shí)現創(chuàng )新的電容感測技術(shù)。運用PSoC的直覺(jué)式開(kāi)發(fā)環(huán)境即可為裝置進(jìn)行組態(tài)與重新組態(tài)，以符合設計規格或任何規格變更。新感測技術(shù)的出現提升了感測靈敏度與抗噪聲能力，并且減少功耗、增加升級速率，讓設計人員創(chuàng )造出更好的應用產(chǎn)品。 |
