五步轻松设计出电容式触摸传感器（2）:布局设计和智能手机应用实例

关键词： 电容式触摸传感器 , PCB , 手机触摸按键 , I2C协议

在本系列文章的第1部分中，我们不仅探讨了机械按键用户界面与电容式触摸传感器用户界面的差异，而且还讨论了步骤1（设备的外观与质感）以及步骤2中的原理图设计部分。第2部分，我们将介绍将机械按键替换成电容式感应按键时所需的设计布局。此外，我们还将举一个应用实例。

步骤2：布局：

对于电容式传感器设计方案而言，布局非常重要，因为传感器很容易受外部噪声影响。每个布局都必须针对特定应用创建，因此布局辅助工作通常着眼于提供建议。所以，一般很难一开始就给出理想的设计。

在设计任何电容式传感器布局时，开发人员必须考虑的重要参数包括：

● 传感器尺寸：传感器尺寸取决于覆盖层厚度。覆盖层越厚，传感器就越大。考虑到较小按键对触摸不够敏感，而较大按键对触摸太过敏感，这都是我们不想要的，因此要优化按键尺寸。

● 寄生电容（CP）：传感器的PC电路板迹线的固有电容叫寄生电容。大传感器CP可使其更难感应传感器电容的微小变动，从而可降低灵敏度。电容式感应布局应将传感器CP保持为最小。

● 迹线长度：较长的迹线长度可增大传感器的CP，从而可降低传感器灵敏度。此外，长迹线还会像内部天线一样，降低传感器的抗噪性。

● 功耗：传感器CP是影响器件功耗的主要因素之一。较大的传感器CP可增大传感器因此而必需扫描的时间，导致整体功耗上升。要降低功耗，传感器CP必须保持最小。

一次成功优化所有这些参数并非小事。为了避免布局重新设计的多次反复进行，电容式感应技术厂商提供了各种高级工具来简化该流程。例如，赛普拉斯提供的设计工具套件就是一款这样的工具，可帮助开发人员纠正布局设计。此外，它还可帮助各团队避免不太容易发现的错误，这些错误的消除可能非常耗时耗力。该设计工具套件是EZ-Click软件工具的一部分，可帮助配置MBR器件。

重要的布局注意事项

在最后确定电容式触摸按键的布局前，需要决定的一个重要因素是传感器尺寸。设计工具套件有助于根据覆盖层材料、覆盖层厚度以及系统噪声等级设定最佳传感器尺寸。

此外，该工具套件还可将系统属性用作输入，并能根据系统支持的最大传感器寄生电容推荐设计支持的最大迹线长度及传感器尺寸。

图6：设计工具套件中的按键直径及迹线长度估计函数

在进行PCB制造前要考虑的事情：

传感器特性：采用传感器尺寸及迹线长度的推荐值完成布局后，请先使用实际值在工具套件的帮助下验证您的设计，然后再进行PCB设计。根据您所提供的输入值（如迹线长度和传感器尺寸）使用设计工具来计算大致的寄生电容。该工具随后可在传感器寄生电容超过可接受工作范围时发出警示。

图7：设计工具套件中的寄生电容计算器

功耗优化是大部分设计的另一个重要要求。此外，设计工具还可根据器件参数估算器件的功耗。这有助于设计人员根据需要调整各个参数，以降低整体功耗。

图8：设计工具套件中的功率计算器

响应时间（即传感器识别触摸的时长）是这些工具能够估算的另一个重要参数。开发人员可根据器件参数验证传感器的响应时间，必要时，还可通过调整参数把响应时间限定在要求范围内。

在设计布局时还需要遵循其它基本准则，包括不同层的铺地层、过孔尺寸以及迹线厚度等。这些都是很简单的建议，不是本部分涉及的内容。此外，您的厂商也会提供设计指南和最佳实践。要获得最稳健的电容式感应设计，所有这些都得遵循。
        
步骤3：为您的设计创建配置：

在设计的硬件部分（例如原理图和布局）准备就绪后，下一步就是为设计创建配置。MBR属于即插即用器件，无需复杂编程，便可根据每个应用配置器件的功能，从而可为开发人员带来高度的灵活性。

开发人员可通过一系列能够使用I2C等通信协议访问的寄存器，了解MBR器件的功能配置。开发人员可将配置写入这些寄存器，并通过向器件发送适当的命令将配置保存至闪存等非易失性存储器中。重置后，该器件不仅可读取保存在非易失性存储器中的配置，而且还可根据配置进行运行。

有一些高级而复杂的功能，它们通常是电容式感应按键用户接口的一部分。但这些功能的设计和开发也并非易事。有了MBR器件，这些功能就已经实施在器件中了，可通过每款应用的配置进行定制。

现在，我们来看看一些应用示例，了解如何在MBR器件上为某款具体应用选择功能。此外，我们还将了解如何配置这些功能。

1.手机上的触摸按键：

手机上的触摸按键通常用于高级功能，例如快速访问各种应用以及访问菜单或主页等各种重要屏幕。一款典型的手机不仅有多达三个触摸按键，而且还需要LED背光照明。除了按键与背光照明外，现在的手机设计还使用接近传感器，可在用户把手机靠近脸部时进行检测。检测到脸部后，触摸屏就会关闭，以防止脸部触碰到屏幕上的图标。

此外，手机应用还需要在主机和MBR器件之间提供通信链路。I2C是最常用的通信协议。为了优化设备功耗，主机不应通过使用I2C协议从MBR器件定期读取按键状态来轮询按键状态。如果在有任何按键状态发生变化的情况下，例如按键从关闭到开启或者从开启到关闭，MBR器件能够发送信号通知主机，该工作就可完成。然后在收到MBR器件的警示后，主机只能通过I2C寄存器读取该按键状态。

手机的另一个注意事项是主机的工作电压可能会比MBR电源低。在这种情况下，I2C线路必须拔掉或者转接至不同于MBR电源的其它电压。

必须在MBR系列包含的器件中选择适合该应用的最佳器件。该器件必须支持至少三个传感器、一个接近传感器和相应数量的LED GPO。因此对于移动应用而言，必须启用3个电容式感应按键、一个接近传感器（实际数量根据应用需求而定）以及所需数量的GPO（能够驱动LED）。GPO 的驱动模式既可在开漏与低电平有效之间选择，也可在高电平有效与低电平有效之间选择。对于LED驱动而言，必须选用强驱动模式。此外，GPO的类型还可在MBR器件中选择。如果LED采用极点配置设计，应选择“低电平有效”类型，而如果LED采用源点配置设计，则应选择“高电平有效”类型。可根据该类型设定GPO的默认逻辑状态。如果选择“低电平有效”，它就为“高（逻辑1）”，如果选择“高电平有效”，它就为“低（逻辑0）”。

还有一个专用引脚，它可通过配置来支持MBR器件可支持的多个功能中的任意一个。例如，该引脚可以配置为“主机中断”。在“主机中断”功能在该引脚上启用时，MBR器件可基于任何按键状态发生的任何变化发送低电平有效脉冲，警示主机有新情况发生。该主机中断信号可中断主机，以便它读取MBR器件的按键状态。

这个功能有助于优化整体系统功耗。I2C线路和主机中断引脚可通过某个MBR器件中的一个名为VDDIO的特殊供电引脚获取电源。VDDIO跟VDD不同，它是MBR器件的电源。由于I2C引脚和主机中断引脚现在连接至不同的电压，因此该MBR器件可支持MBR器件主机工作电压低于MBR器件电源电压的应用。

图 9：移动应用中的电容式感应系统方框图

图10：Android按键智能手机

在第2部分中，我们不仅介绍了将机械按键替换成电容式感应按键时所需的布局，而且还举出了一个智能手机应用实例。第3部分，我们将介绍更多应用实例，以及如何配置MBR器件才能实现这些应用所需的专用功能。

【系列文章】
五步轻松设计出电容式触摸传感器（1）：概述及原理图设计
五步轻松设计出电容式触摸传感器（3）：家电及安全系统中的应用，如何配置MBR器件
五步轻松设计出电容式触摸传感器（4）:验证设计和量产