使用MCU普通I/O口实现电容触摸感应方案（RC方式）

技术背景
　　现在电子产品中，触摸感应技术日益受到更多关注和应用，不仅美观耐 用，而且较传统机械按键具有更大的灵敏度、稳定性、可靠性，同时可以大幅提高产品的品质。触摸感应解决方案受到越来越多的IC设计厂家的关注，不断有新的 技术和IC面世，国内的公司也纷纷上马类似方案。Cpress公司的CapSense术可以说是感应技术的先驱，走在了这一领域的前列，在高端产品中 有广泛应用，MCP推出了mTouchAT也推出了QTouch术，FSL推出的电场感应技术与MCP的电感触摸也别具特色，甚至ST也有QST 产品。
　　但是目前所有的触摸解决方案都使用专用IC，因而开发成本高，难度大，而本文介绍的基于RC充电检测 （RC Acquisition）的方案可以在任何MCU上实现，是触摸感应技术领域革命性的突破。首先介绍了RC充电基础原理，以及充电时间的测试及改 进方法，然后详细讨论了基于STM8S单片机实现的硬件、软件设计步骤，注意要点等。
　　一、RC充电检测基本原理
　　RC充电检测基本原理是对使用如PCB的电极式电容的充电放电时间进行测量，通过比较在人体接触时产生的微小变化来检测是否有’按下’动作产生，可选用于任何单独或多按键、滚轮、滑条。

　　实现电路如图3，使用一个I/O口对PCB构成的电容充电，另一个I/O口测量电压，对于多个按键时使用同一个I/O口充电。R1通常为几百K到几M，人体与PCB构成的电极电容一般只有几个pF，R2用于降低噪声干扰，通常为10K。

　　为了提高系统的可靠性和稳定性，改进的测量方法是对Vout进行高和低两个门限进行测量。如图4所示，通过对t1和t2的测量，从而达到更可靠的效果。另外，多次测量也是有效的降低高频干扰的有效方法。
　 　实际应用中可以使用数字信号的方式直接测量t1和t2，因为数字信号的’1’和’0’也都有最高与最低输入门限。使用软件查询方式测量，通过固定频率检 测输入脚，其中’0’的个数就是t1，’1’的个数就是t2，实际上就是输入信号上升到VIHmin和下降到VILmax的时间。
　　按键除设计为单通道模式，还可以设计为多通道模式，通过对附近按键的感应信号强度判断手指的位置，甚至可设计出’连续’的滑动效果。
　　LED经常在感应设计中用来指示按键是否有效按下，注意按键的地或电源线就尽量短，线路较长时宜增加1nF的滤波电容。
　　另外，建议电源电路使用线性电源而不是开关电源，这对提高感应灵敏度很重要。
　　四、软件设计流程
　 　ST公司设计了完整的基于RC充电检测的电容式感应触摸方案的完整设计，包括PCB和完整的源程序，以及基于STM8S的标准触摸感应库 （Touch Sense Library：TSL）和应用API接口，采用易于移植的C设计，用户可以方便地应用于其他任何MCU系统中。因为RC充电 理论涉及的专利已经对公众开放，所以完全没有专利的限制。
　　图7是ST的触摸感应设计库TSL的架构示意。

(原文件名:image001.png)
固定电压施加在VIN，VOUT的电压随着电容值的变化而相应增加或者降低， 如图2所示。

(原文件名:image003.jpg)
2：硬件实现
图 4显示了一个实现的实例。由R1，R2以及电容电极(CX)和手指电容(CT)并联的电容(大约5pF)形成一个RC网络，通过对该RC网络充放电时间的 测量，可以检测到人手的触摸。 所有电极共用一个”负载I/O”引脚。电阻R1和R2尽量靠近MCU放置。电电R1(阻值在几百千欧到几兆欧之间)是主要电电阻，用于调节触摸检测的灵敏 度。电阻R2(10K是可选的，用于减少对噪声影响。

(原文件名:image05.jpg)
为了提高在电压和温度变动情况下的稳定性，对电极会进行连续两次的测量：第一次测量对电容的充电时间，直到输入电压升至VIH。第二次测量电容的放电时间，直到输入电压降至VIL。下图以及以下的表格详细说明了对感应电极(感应I/O)和负载I/O引脚上的操作流程。

(原文件名:biao1.jpg)
以上文字基本摘录至ST文献
5：数据处理
a:采样
由于我们在判断的时候是要花3个周期（while(PIND_X);），但是我们的计数器是1个周期的，这样判断采样值就会有误差。
举例说，在充电过程中比如在T=49点上好是VIH到达点。会出现以下三种情况：

 

 

采用Atmel QTouch技术的电容式触摸屏系统解决方案  

触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域，如手机、媒体播放器、导航系统、数码相机、数码相机、数码相框、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等等。

　　通用的触摸屏技术包括适用于移动设备和消费电子产品的电阻式触摸屏和投射电容式（projected capacitive）触摸屏以及用于其他应用的表面电容式（surface capacitive）触摸屏、表面声波（SAW）触摸屏和红外线触摸屏。

电阻式触摸屏

　 　应用比较多的电阻式触摸屏（图1）具有空气间隙和间隔层的两层ITO（Indium Tin Oxide,铟锡氧化物）。电阻式触摸屏是大批量应用、经过验证、低成本的技术。其缺点是：薄弱的机械性能；堆叠厚，相对较为复杂；不能检测多个手指的动 作；前面板实现方案易损坏；有限的工业设计选项；光学性能不良；需要用户校准。

   

   

图2 投射电容式触摸屏

　　投射电容式触摸屏比其他触摸屏技术的优势是：

　　·出色的信噪比；

　　·整个触摸屏表面具有高精度；

　　·能够支持多个触摸；

　　·通过”厚的”电介质材料进行感应；

　　·无需用户校准。

QTouch技术

　 　QTouch技术是Atmel触摸技术部前身Quantum（量研科技）的专利。所开发的集成电路技术是基于电荷——传输电容式感测。QTouch IC检测用传感器芯片和简单按键电极之间单连接来检测触摸（图3）。QTouch器件对未知电容的感测电极充电到已知电位。电极通常是印刷电路板上的一块 铜区域。在1个或多个电荷——传输周期后测量电荷，就可以确定感测板的电容。在触摸表面按手指，导致在该点影响电荷流的外部电容。这做为一个触摸记录。也 可确定QTouch微控制器来检测手指的接近度，而不是绝对触摸。判断逻辑中的信号处理使QTouch健全和可靠。可以消除静电脉冲或瞬时无意识触摸或接近引起的假触发。

   

图4 触摸屏系统

　　Atmel公司提供触摸控制器IC、控制电路板参考设计、传感器参考设计、集成支持和传感器测试设备设计，而合作伙伴提供传感器薄、传感器和前面板的集成和控制器电路板。

　 　Atmel提供用于1至10个按键和/或滑块/滑轮的器件——QTouch系列；用于多达48个按键和/或滑块/滑轮的器件——QMatrix系列；用 于Single Touch和Two Touch触摸屏的器件QFild和QTwo系列。其中采用QT5320/5480器件的简易系统示于图5，触摸屏、滑块、滑轮和/或按键可由主机通过 I2C兼容接口进行选择。

   

图5 触摸屏简易系统

来源：haleliu887