五步轻松设计出电容式触摸传感器（1）：概述及原理图设计

关键词： 电容式触摸传感器 , MBR器件 , 按键 , 感应电路

按键被广泛应用于消费类产品、家用电器以及工业系统等各种终端产品。现今深谙技术的消费者希望得到具有时尚可靠用户界面的产品。他们希望即便是简单的产品都应该款式新颖，按键耐磨且易于维修。

在传统的用户界面（UI）设计中使用的是可靠性差且笨重没吸引力的机械按键。基于这些以及其他原因，电容式感应按键逐步开始替代机械按键。电容式感应按键可以完全融入产品设计之中，而且永远不会磨损。因此，基于电容式触摸感应技术的用户界面成为了目前用户界面的设计趋势。

然而，电容式感应按键的设计以及实现稳定的实现方案对系统工程师来说是一项非常繁重的工作。在本文中，我们将重点介绍如何通过五个简单的步骤来设计出可靠的电容式触摸传感器。

传统按键系统：

在谈论怎么将机械按键系统改造成电容式系统设计之前，让我们先来快速地了解下机械按键系统。机械按键一般都是使用诸如塑料、木材或金属之类的材料制成。这些系统必须具备极高的可靠性，因为它们很容易受到灰尘等环境因素的影响，而且不耐磨。机械开关可循环使用的次数决定了其使用寿命（而且通常还决定了产品的使用寿命）。为了让机械开关实现超长使用寿命，必须进行可靠、长时间的设计。

在设计中要考虑到的另外一个因素是美学设计。很多机械按键的设计都不好看又不吸引人，因此还需要花一些额外的功夫来进行美学方面的精美设计。由于机械按键通常会在设备上凸出来，因此要设计出一个带机械按键的时尚而稳健可靠的用户界面系统并不是一件容易的事。而在这方面电容式传感器按键可以大大简化这方面的设计。

然而，要设计出一个电容式感应系统也并非易事。它要比设计机械按键系统复杂很多，因为：

1.在感应和开/关判定逻辑上会涉及到诸多感应参数。

2.电容式触摸传感器易受到外部噪声的干扰。

感应电路涉及到众多硬件参数，诸如参考电压、源极/汲极电流、时钟等。因此，电容式开关的开/关判定逻辑还涉及到阀值等很多软件参数。必须将这些参数设置为最优值以实现最佳性能。为这些参数选择最优值称为调谐。对电容式感应系统的调谐是一个既费时又费力的过程。电容式感应涉及到很多参数，因此会有很多的参数组合，这使得调谐工作更加费时。
可配置电容式感应器件：

可配置电容式感应器件可以避免繁琐的调谐过程。现有一些带有嵌入式自动调谐算法的预编程器件。自动调谐算法可以根据传感器及其他感应元件的特征对所有的感应参数进行调谐，以达到最佳值。这样就无需进行调谐操作，也消除了电容式传感器的最大设计障碍。

另外，可配置电容式感应器件通常都支持各种外设和功能，如LED驱动器、蜂鸣器、扫描速率控制等。对这些器件进行配置就意味着启用/禁用所需的这些功能，并根据应用需要设定活动功能的参数值。赛普拉斯的MBR系列电容式感应器件就是一款可以简化电容式感应系统设计的可配置器件。在本系列文章中，我们以可配置电容式感应器件MBR器件为例，来探索电容式感应系统的设计。

现在让我们来快速看一下在使用和不使用MBR器件情况下，电容式感应系统的设计周期。

图1：不使用MBR器件时电容式感应系统的设计周期

图2：使用MBR器件时电容式感应系统的设计周期

从图1和图2中的设计流程我们可以看出，MBR器件最突出的优势在于：

1.使用MBR器件可以免除耗时的固件开发。

2.MBR器件所支持的自动调谐功能可以避免耗时的手动调谐工作，而且还可以进行设计迭代。
在下面章节中，我们将介绍使用MBR器件进行电容式感应器设计的5个步骤。此外，我们还将介绍电容式触摸按键系统能够提供的其他优势与特性。
        
五步轻松替换机械按键

采用目前的MBR器件，就可避免固件开发、工艺变动分析、精调和产品精调等主要设计步骤。这样，我们利用MBR器件通过五个简单的步骤就可轻松替换机械按键。接下来我们探讨一下使用MBR器件设计电容式感应系统的步骤，以及可以让我们从机械按键轻松过渡到电容式感应按键的典型生态系统。

下图给出了电容式感应应用设计的五个步骤。

图3：设计电容式感应应用的五个步骤

以下为这五个步骤：

1.使用评估工具率先亲自体验MBR器件：

借助评估工具，并使用MBR器件构建设计的基本原型设计。

2.为您的应用设计原理图及布局：

恰当的硬件原理图与布局设计，对电容式感应系统的稳健运行至关重要。在本系列文章的后续部分，我们将会探讨硬件设计方面的一些重要考虑因素。

3.配置MBR器件：

应根据应用的要求选择所需的MBR器件特性。我们可以使用专门配置MBR器件的工具来完成这项操作。我们将探讨一些使用电容式传感器的常见应用，了解这些应用需要哪些功能与特性，以及MBR器件如何能够满足这些要求。我们还会看到配置MBR器件的各种方法。

4.验证您的设计：

一旦硬件准备就绪，并且在MBR器件中选好了功能，下一步就是使用硬件和MBR器件来验证系统的设计。在本系列文章中，我们将探讨MBR器件制造商是如何提供工具和生态系统来简化MBR设计的验证工作。

5.进行大规模生产：

一旦设计通过验证，第五步也是最后一步：进行大规模生产。我们将探索进行大规模生产所需要考虑的主要因素。
        
第一步：使用评估工具率先亲自体验MBR器件

在设计触摸感应系统的原型之前，应先熟悉MBR器件并学习如何使用制造商的评估工具对其进行配置，这一点非常有用。
赛普拉斯的CY3280-MBR3CapSense MBR3评估套件就是一款用于MBR器件的评估工具。该评估套件包括评估电路板、样本配置、软件安装程序和用户指南。EZ-Click是赛普拉斯提供的直观型GUI工具，可用来配置器件。样本配置作为评估套件包的一部分，能够帮助用户熟悉如何配置MBR器件。

第二步：原理图和布局设计：

原理图：

建议您根据MBR设计指南中给出的建议来设计原理图。MBR器件的设计指南提供了综合全面的注意事项列表以及一些最佳实践。

例如，为不同的功能选择错误的引脚输出会给性能带来负面影响。考虑一下如果运行与传感器迹线平行布局的通用输出（GPO）迹线会怎么样。在这种情况下，传感器非常容易受到GPO状态翻转所产生的噪声干扰。我们必须在原理图设计的开始阶段就避免出现这样的情况。具体来说，就是绝不能将传感器引脚旁边的引脚选作GPO。此外，在选择诸多功能多路复用的引脚时也要特别小心。这意味着每个引脚都具有多种功能，并且要根据用户配置来选择功能。

现在我们来看一看您在为设计创建原理图时需要考虑的一些重要事项。使用MBR器件进行原理图设计主要包括以下内容：

1.传感器引脚的选择

正如前面所提到的，传感器必须避免使用GPO引脚旁边的引脚。否则GPO上逻辑级的翻转可能会导致串扰的发生，使传感器出现误触发的情况。

除了按键以外，MBR器件还可支持一些特殊的传感器（例如接近传感器）和滑条。如果您的应用需要这些特殊传感器，那么必须先为其选择引脚，因为一般来说只有某些专用的引脚才能支持这些特殊传感器。

为传感器选好引脚之后，下一步工作就是改善抗噪性。下面介绍一些有助于提高抗噪性的技术方法：

a.在每个传感器上配备串联电阻器。这样就会形成一个带传感器寄生电容的低通RC滤波器，可用来抑制射频噪声振幅。

图4：用RC滤波器来抑制射频噪声振幅

b.将未使用的传感器引脚短路接地，而不是使其浮动。这样可以避免未使用的传感器引脚拾取外部噪声并将其传输至电容式感应系统。

2.GPO引脚的选择

在选择GPO引脚时必须考虑到传感器引脚的选择，这样就可以避免GPO线路和传感器之间的串扰。

MBR器件可支持源点（sourcing）和汇点（sinking）配置，来驱动GPO引脚上的LED。由于GPO的电流吸收能力要比其供电能力高很多，因此我们建议在源点配置下连接LED。

为了限制电流大小，应根据供电电压添加一个适当数值的串联电阻。如果您的设计所要求的吸收电流超过最高限值，那么可在GPO引脚上连接一个外部晶体管，并在强驱动模式下配置GPO。

3.电源连接和接地

为了限制传导辐射，应使用数据表中所推荐的合适去耦电容。

4.其它的无源组件

一项好的电容式感应系统原理图设计中必须包含MBR器件设计指南中所推荐的适当数值的所有无源组件。
其中一些重要的无源组件包括：

根据设计指南中给出的建议来设计您的原理图。

图5：使用MBR器件的样本原理图

在第1部分中，我们了解了步骤1的内容以及步骤2中的原理图部分。在第2部分，我们将介绍在使用电容式感应按键替代机械按键时所需的设计布局情况。另外我们还会讲到一个应用范例。

【系列文章】
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
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