關(guān)鍵詞： 接近傳感器

用戶界面（UI）實(shí)施在過去幾年間不斷演進(jìn)發(fā)展。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員若為實(shí)現(xiàn)電容式用戶界面添加電子元件，就能開發(fā)出極富差異化功能的系統(tǒng)。在大多數(shù)系統(tǒng)中，按鈕和旋鈕正被電容式觸摸按鈕和滑條所取代。這種用戶界面為系統(tǒng)添加了一種額外組件，即也可用于實(shí)現(xiàn)接近感應(yīng)的電容式感應(yīng)控制器。在用戶界面中集成接近傳感器可實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的用戶體驗(yàn)，同時(shí)降低總體系統(tǒng)功耗。俗話說，“天下沒有免費(fèi)的午餐”，但是接近感應(yīng)確實(shí)可以在不增加任何成本的情況下在大多數(shù)系統(tǒng)中實(shí)施。為系統(tǒng)用戶界面添加接近傳感器有兩個(gè)優(yōu)勢：
● 根據(jù)手與面板的接近程度來控制觸摸板和顯示屏背光LED
● 根據(jù)手與面板的接近程度來控制按鈕和滑條的掃描速率
背光控制 – 為觸摸板和顯示屏添加背光LED非常重要，這樣消費(fèi)者就能在黑暗中操作設(shè)備。背光LED如果持續(xù)開啟會(huì)耗用大量電流。部分系統(tǒng)使用環(huán)境光傳感器來檢測光亮度，并相應(yīng)控制背光。但是，當(dāng)用戶不持續(xù)使用系統(tǒng)時(shí)，就不需要閱讀按鈕和顯示屏上的圖標(biāo)，這時(shí)用于點(diǎn)亮屏幕的電能就會(huì)被浪費(fèi)掉。一種降低功耗更為高效的方法是，用戶在任何時(shí)候需要操作設(shè)備時(shí)都可控制背光LED。此外，當(dāng)手接近控制面板時(shí)打開背光LED還能優(yōu)化用戶體驗(yàn)。如果背光LED持續(xù)點(diǎn)亮，不僅很煩人而且還會(huì)分散消費(fèi)者的注意力。
可將接近感應(yīng)功能用于進(jìn)行手部接近檢測。如果手進(jìn)入范圍內(nèi)，則背光LED被打開。例如，圖1(a)顯示了手未進(jìn)入接近檢測范圍時(shí)觸摸板的狀態(tài)。當(dāng)手接近該面板時(shí)，電容式接近傳感器就會(huì)檢測到它的存在，并由固件打開背光LED，如圖1(b)所示。很多應(yīng)用都可以通過接近傳感器來控制背光LED，如家用電器、筆記本電腦以及手機(jī)按鍵等。
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圖1(a)：手未進(jìn)入接近范圍時(shí)的觸摸板

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圖1(b)：檢測到手指接近時(shí)觸摸面板的背光LED點(diǎn)亮

掃描速率控制 － 在電容式感應(yīng)控制器中，功耗與給定時(shí)間內(nèi)所掃描傳感器的數(shù)量成正比。如果能減少所掃描的傳感器數(shù)量，功耗就會(huì)隨之降低。低功耗不僅對于手持式應(yīng)用來說至關(guān)重要，而且對于市電供電的應(yīng)用來說也是如此，都需要確保節(jié)省電量以達(dá)到綠色環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。如果需要掃描的傳感器數(shù)量減少，控制器就可以在休眠模式下保持更長的時(shí)間。在用戶界面中，只有在手靠近面板時(shí)才能觸碰按鈕，因而可以使用接近傳感器且僅對該傳感器進(jìn)行定期掃描。當(dāng)控制器檢測到手處在設(shè)備的臨近區(qū)域內(nèi)時(shí)，才會(huì)開始掃描剩余的傳感器。否則，控制器在掃描完接近傳感器后會(huì)進(jìn)入休眠模式。
從上述介紹的例子中不難看出，在這些應(yīng)用中檢測手與面板的絕對距離并不重要，唯一的系統(tǒng)要求是檢測出可確保在手接近觸摸板時(shí)系統(tǒng)能以足夠快速度做出響應(yīng)的最小距離。該距離取決于傳感器設(shè)計(jì)以及所采用的電容式感應(yīng)控制器。
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接近感應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)
實(shí)施電容式感應(yīng)的方法多種多樣，但大體上可分為兩類：自電容和互電容。不同的制造商采用不同的算法來實(shí)施這些方法。
互電容 – 基于互電容的實(shí)施方案是采用兩個(gè)傳感器導(dǎo)體片，并測量它們之間的互電容。這種實(shí)施方法的接近檢測范圍非常狹窄，無法滿足實(shí)際使用需求。互電容檢測的可靠距離通常小于5cm，甚至可能低至1cm。由于檢測范圍狹小，需要接近傳感器的應(yīng)用很少采用這種方法。
自電容 – 這種實(shí)施方案采用單個(gè)傳感器，并測量它的系統(tǒng)對地電容。自電容方法可以檢測的接近范圍較寬泛。本文在下面幾節(jié)將以賽普拉斯CapSense控制器中所采用的CSD（CapSense Sigma Delta）算法為例來對自電容實(shí)施方法進(jìn)行探討。該算法在PSoC器件中實(shí)施，能檢測高達(dá)30cm的接近范圍。
為了理解接近傳感器的實(shí)施，我們首先需要了解電容式感應(yīng)的基本知識(shí)。如果我們觀察電容式感應(yīng)系統(tǒng)，傳感器電容在手指沒有接近的情況下會(huì)呈現(xiàn)出圖2所示的狀態(tài)。這時(shí)的電容被稱為寄生電容（Cp）。當(dāng)手指近傳感器時(shí)，會(huì)改變傳感器電容。這時(shí)會(huì)產(chǎn)生與Cp并聯(lián)的另一電容，稱為手指電容（Cf）。因此在手指接近時(shí)，傳感器的總電容（Cx）可通過方程式1得出。
Cx = Cp + Cf ---- 方程式1
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圖2：手指未接近時(shí)的傳感器電容

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圖3：手指接近時(shí)的傳感器電容

傳感器電容（Cx）可通過圖4所示的原理方塊圖來測量。
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圖4：用于電容測量的預(yù)處理電路

該系統(tǒng)是一種開關(guān)電容器實(shí)施方案，其中將傳感器電容Cx仿真為電阻Req。電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器（IDAC）連續(xù)為Cmod充電，直到Cmod上的電壓超過Vref為止，同時(shí)比較器輸出為高電平。然后斷開IDAC，Cmod通過Req放電，直到Cmod上的電壓降低到Vref以下為止。當(dāng)Cmod再次充電到Vref時(shí)，比較器輸出為低電平。如果由于手的接近使Cx值增加，那么根據(jù)方程式2，仿真Req的值將變小。
Req = 1/FsCx ---- 方程式2
在方程式2中，F(xiàn)s是開關(guān)電容器模塊的開關(guān)頻率。
這樣，Cmod放電速度越快，比較器輸出高電平的時(shí)間就越短。這就意味著更高的電容值會(huì)使比較器的高電平輸出時(shí)間變短。比特流在固定的時(shí)間內(nèi)被饋送至計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的值能反映出Cx的幅度。該計(jì)數(shù)器值被稱為原始計(jì)數(shù)量。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)所用的總體固定時(shí)間被稱為分辨率，也能決定原始計(jì)數(shù)量。當(dāng)分辨率增加時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的時(shí)間變長并增加原始計(jì)數(shù)量。
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接近傳感器的實(shí)施
接近傳感器的接近檢測范圍由它的電力線決定。只有當(dāng)手在接近過程中切斷傳感器的電力線時(shí)，才能引起電容變化。給定點(diǎn)的電通密度會(huì)決定手的接近所引起的電容變化量。給定點(diǎn)的電力線越多，手切斷電力線所造成的電容變化也就越大。為了獲得更大的接近檢測范圍，就要求使用大型傳感器來提供更高的電通密度。
接近傳感器的實(shí)施方法有多種：
● 導(dǎo)線
● PCB線跡
● 連接現(xiàn)有的按鈕和滑條
導(dǎo)線 – 導(dǎo)線是實(shí)施接近傳感器的最佳方法，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)最大的檢測范圍。使用導(dǎo)線可能會(huì)在制造組裝階段帶來難題。檢測范圍與導(dǎo)線長度成比例。
PCB印制線 – 這種實(shí)施方法能在提供恰當(dāng)?shù)臋z測范圍和易于實(shí)施方面獲得最佳平衡。可將接近傳感器與按鈕和滑條一起設(shè)計(jì)在PCB板上。該傳感器的形狀與其他傳感器相比大相徑庭。為了達(dá)到更大的檢測范圍，電力線的環(huán)路區(qū)域必須要大。接近檢測范圍與環(huán)路尺寸呈正比關(guān)系。因而，接近傳感器必須形成一個(gè)圍繞所有電容式感應(yīng)按鈕的環(huán)形，如圖5所示。
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圖5：PCB上的接近傳感器

傳感器共連 – 按鈕和滑條部分一般通過模擬多路復(fù)用器總線（有時(shí)被稱為AMUX總線）連接至電容測量系統(tǒng)。如果控制器允許所有傳感器同時(shí)連接到AMUX總線，那么所有傳感器就會(huì)短路，這會(huì)增大傳感器的總面積，并使它們成為單個(gè)傳感器。隨著傳感器面積變大，其會(huì)產(chǎn)生更高的寄生電容，而且根據(jù)傳感器數(shù)量和傳感器大小情況，接近檢測范圍可能僅有幾厘米。
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接地層/金屬物體的影響
如前所述，接近檢測范圍取決于給定點(diǎn)的電通密度。為了確保實(shí)現(xiàn)最大的檢測范圍，要求電力線盡可能實(shí)現(xiàn)最長的布線距離。然而系統(tǒng)中存在兩大會(huì)造成傳播距離變短的因素。這兩大因素是：
● PCB上的接地層
● 設(shè)備的金屬殼體
PCB上的接地層 – 圖6顯示了PCB上電容式感應(yīng)按鈕的典型布局類型。
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圖6：電容式感應(yīng)按鈕的PCB

在圖中可以看到，按鈕被網(wǎng)狀的接地層包圍。接地層有助于增強(qiáng)抗干擾能力。網(wǎng)狀圖案可用于保持傳感器的寄生電容處于極低的水平。顧名思義，大多數(shù)實(shí)施方案中的這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)都接地。較近的地電位距離按鈕可以讓電力線不用走很長距離就能與地電位融合。對于按鈕和滑條來說這樣做沒有問題，由于這種情況下手指與傳感器的距離非常近，因而電力線不需要很長距離的走線。
當(dāng)使用相同的方法將接近傳感器在相同的PCB上進(jìn)行實(shí)施時(shí)，根據(jù)上面的闡述，結(jié)果會(huì)顯而易見。圖5顯示了接近傳感器的相應(yīng)實(shí)施方法。圖4與圖6的主要區(qū)別在于用保護(hù)電極替代網(wǎng)狀接地。保護(hù)電極是實(shí)施接近傳感器的關(guān)鍵。

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保護(hù)電極
驅(qū)動(dòng)保護(hù)電極的信號(hào)就是用于驅(qū)動(dòng)傳感器的信號(hào)。保護(hù)電極與PCB上包圍傳感器的交叉網(wǎng)格（Hatched Pattern）相連。由于交叉網(wǎng)格與接近傳感器之間沒有電位差，因此電力線不會(huì)受到影響。進(jìn)行PCB布局的同時(shí)需要重點(diǎn)考慮的事項(xiàng)之一是交叉網(wǎng)格的電容。受保護(hù)電極驅(qū)動(dòng)的限制電容值取決于控制器。
設(shè)備的金屬殼體
如果設(shè)備使用的是金屬殼體或者需要安裝在靠近金屬物體的位置，那么接近傳感器的實(shí)施過程就可能是個(gè)挑戰(zhàn)。圖7顯示了傳感器安裝在靠近金屬外殼時(shí)的電力線。
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圖7：傳感器的放置位置靠近金屬

如圖所示，大部分線路都流向地電位。從理論層面上講，解決辦法是避免電力線走向金屬物體。這可通過在金屬外殼與接近傳感器之間放置保護(hù)電極來實(shí)現(xiàn)。如圖8所示，接近傳感器被放置在PCB的頂層，而且保護(hù)電極則被放置在底層。
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圖8：帶保護(hù)電極的雙層PCB

當(dāng)保護(hù)電極位于金屬與傳感器之間時(shí)，可以減少金屬對傳感器的影響。而這種防干擾效果與PCB和金屬外殼之間的距離成正比。如果PCB的位置距離金屬外殼較遠(yuǎn)，那么效果就會(huì)更好。
推薦針對電容式感應(yīng)按鈕使用雙層PCB，以實(shí)現(xiàn)所需的抗干擾性能。但是，有些系統(tǒng)必須使用單面PCB且可以用導(dǎo)線來實(shí)施接近感應(yīng)，這種情況下可將保護(hù)電極置于頂層并位于導(dǎo)線的下面，如圖9所示。
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圖9：將導(dǎo)線作為接近傳感器的單層PCB

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接近傳感器的固件
接近傳感器的掃描時(shí)間通常大于觸摸按鈕，原因之一在于它們具有非常高的寄生電容。大電容器需要更長的充放電時(shí)間。手引起的電容變化相對于寄生電容來說非常小，因此很難檢測到它的存在。另外，接近檢測是手與傳感器有一定距離時(shí)候進(jìn)行檢測，傳感器電容的變化值很小。因此電容感應(yīng)系統(tǒng)需要具備更高敏感度才能測量這一微小變化。為了提高敏感度，接近傳感器的分辨率必須非常高且需要更長的掃描時(shí)間。例如，12位的分辨率對于按鈕來說可能已足夠好，但對于接近傳感器來說可能就要使用16位分辨率。就接近感應(yīng)而言，建議使用器件所支持的最高分辨率。然而，采用高分辨率也會(huì)讓系統(tǒng)對噪聲更加敏感。另外，由于手接近引起的電容變化非常小，如果系統(tǒng)中的噪聲非常高，這一變化就很難檢測到。建議為從電容感應(yīng)系統(tǒng)接收到的原始計(jì)數(shù)使用某種特定類型的濾波器，并在固件中實(shí)施這些濾波器。IIR濾波器不僅易于實(shí)施而且響應(yīng)性能良好。方程式3表明了IIR濾波器的實(shí)施方法，圖10則是實(shí)施方法的圖形化表示。
yn = b*yn-1 + a*xn, 其中b = 1 – a ----（方程式3）
在該方程式中，‘yn’是濾波器的輸出，‘a(chǎn)’和‘b’是濾波器系數(shù)，‘xn’是電流輸入，‘yn-1’是上次的輸出。
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圖10：用于接近傳感器的IIR濾波器

濾波器有助于消除噪聲但也會(huì)降低響應(yīng)速度。當(dāng)手接近觸摸板時(shí)，需要一定時(shí)間才能在濾波器的輸出端看到相同結(jié)果。將濾波器的系數(shù)‘a(chǎn)’的值調(diào)高可以確保更快的相應(yīng)性，但這會(huì)降低濾波效果?？梢栽诠碳屑尤敫郊訔l件，用以檢測原始計(jì)數(shù)中的明顯變化。如果原始計(jì)數(shù)的變化非常明顯，就可以在一些樣本中忽略濾波器的輸出。
接近傳感器的一個(gè)簡單特性是在電容式系統(tǒng)中添加接近傳感器功能可以提升系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)。接近傳感器可通過用于觸摸式按鈕和滑條的電容式感應(yīng)控制器來實(shí)施?；谧噪娙莸碾娙菔礁袘?yīng)系統(tǒng)與基于互電容的系統(tǒng)相比可提供更長的接近檢測范圍。就實(shí)施而言，接近傳感器可使用導(dǎo)線、PCB線跡或者連接按鈕和滑條的方式來實(shí)施，但將導(dǎo)線作為接近傳感器的效果最佳。保護(hù)電極是一種交叉網(wǎng)格，可連接用于驅(qū)動(dòng)傳感器的相同信號(hào)。保護(hù)電極必須緊挨著傳感器而不是地電位。當(dāng)需要將接近傳感器放在臨近金屬外殼的位置時(shí)必須特別注意。保護(hù)電極有助于消除金屬物體的影響。為了達(dá)到令人滿意的接近檢測范圍，必須選擇可支持保護(hù)電極電容式感應(yīng)處理器和恰當(dāng)?shù)碾娙菔礁袘?yīng)方式。需要為系統(tǒng)添加濾波器才能確保獲得良好的信噪比。IIR濾波器很適合這一要求而且能夠在固件中實(shí)施。
關(guān)于作者
Sachin Gupta現(xiàn)任賽普拉斯半導(dǎo)體公司可編程系統(tǒng)業(yè)務(wù)部（PSD）的高級(jí)應(yīng)用工程師。他畢業(yè)于印度德里洲際大學(xué)（Guru Gobind Singh Indraprastha University），獲電子與通信專業(yè)學(xué)士學(xué)位。Sachin Gupta的電子郵件為：sgup@cypress.com。

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