电容触摸感应MCU工作原理与基本特征

中心议题：
    * 电容触摸MCU的工作原理
    * 电容触摸MCU的基本特征
解决方案：
    * 集成特殊的电容数字转换器（CDC）

针对市场的需求，来自美国的高效能模拟与混合信号IC创新厂商Silicon Laboratories（简称：Silicon Labs）公司特别推出了C8051F7XX和 C8051F8XX系列的MCU（单片机），专门针对电容触摸感应而设计，在抗噪性能和运算速度上表现的非常突出。

一、Silicon Labs公司的电容触摸系列MCU

目前Silicon Labs公司推出的C8051F7xx和C8051F8xx等电容触摸系列MCU，以高信噪比高速度的特点在业界表现尤为出色。同时，灵活的I/O配置， 给设计带来更多的方便。另外，由于该系列MCU内部集成了特殊的电容数字转换器（CDC），所以能够进行高精度的电容数字转换实现电容触摸功能。

CDC的具体工作原理：

如图1所示，IREF是一个内部参考电流源，CREF是内部集成的充电电容，ISENSOR属于内部集成的受控电流源，CSENSOR为外部电 容传感器的充电电容，由于人体的触摸引起CSENSOR的变化，通过内部调整过的ISENSOR对CSENSOR进行瞬间的充电，在CSENSOR上产生 一个电压VSENSOR，然后相对内部参考电压经过一个共模差分放大器进行放大；同理IC内部的IREF对CREF充电后也产生一个参考电压并相对同样的 VREF经过差分放大，最后将2个放大后的信号通过SAR（逐次逼近模数转换器）式的ADC采样算出ISENSOR的值。

       
Silicon Labs SAR式的ADC采样可选择12-16位的分辨率，如图2所示，采用16位的分辨率进行逐位比较采样：首先从确定最高位第16位 （IREF=0x8000）开始，最高位的值取决于电容的充电速率，也就相当于电流的大小，取电流IREF/2，比较VSENSOR和VREF：

VSENSOR 》 VREF 则 最高位 = 0 ；
VSENSOR 《 VREF 则 最高位 = 1 ；
随后，SAR控制逻辑移至下一位，并将该位设置为高电平，进行下一次比较：
如果第16位是1，则取下一个IREF=0xC000 ；
如果第16位是0，则取下一个IREF=0x4000.

这个过程一直持续到最低有效位（LSB）。上述操作结束后，也就完成了转换，将算出的16位转换结果储存在寄存器内。

                
 
利用此电容采集转换功能，可用在电容触摸屏或者触摸按键上。比如，电容式触摸屏的应用（图3所示）。一般自容式电容触摸屏主要包括一层表面玻璃 层，中间两层行列交叉的ITO层（行列层之间间没有短接），以及GND底层。每一行和列分别与MCU的采集输入通道直接相连，当手指触摸到电容屏的表面玻 璃层时，会引起某一行或列的ITO 块的对地电容（如图4）值变大，从而通过电容采样以及特定的算法确定电容值发生一定变化的点（触摸点）的位置（X，Y），最后将触摸点的位置上传给主处理 器实现系统操作功能。

目前Silicon Labs 的C8051F7XX触摸屏功能主要是单点触摸，但通过软件算法可以实现两点的手势识别，比如缩放、旋转等，同时还能实现对水滴识别以及湿的手指触摸正常 划线功能。

而触摸按键的电容采样原理一样，只是每个采集输入通道连接一个触摸按键，MCU可以直接确定某个按键被触摸然后进行相应功能的实现，算法处理相 对简单。

              
 
　三、Silicon Labs触摸系列 MCU的优势及特点

1.高信噪比

电容传感器模块是先通过释放外部电容的电量，然后再计算出其充电速度来确定变化的电容值的。所以在每次的测量之前必须彻底地释放掉电容遗留的电 量才能保证更准确的测量。

外部电容的放电是否彻底直接影响到抗噪性能，一般的MCU都是通过一个电阻接地来放电的，而Silicon Labs的MCU是在每一位的转换之前进行两级的电容重置放电：首先通过连接一个小阻值的电阻接地进行第一级的放电，释放了绝大部分的电容残余电量，然后 转向第二级的重置释放，与一个高阻值的电阻串联接地，彻底消除可能由于第一级重置释放结束时产生的噪声能量。通过两级的电容重置释放可以充分地消除环境噪 声的影响，从而大大提高转换的信噪比。

传统的信噪比计算方法是手指触摸时测量的平均电容值AvgA与空闲时所测量的电容值的差值AvgI，然后与空闲时噪声引起的电容的峰值 NoiseI的比值：
                                    

 目前业界所能达到的信噪比一般只做到80：1，而Silicon Labs 的触摸系列MCU的信噪比则可达到99.7:1（如图5所示），高的信噪比保证更大程度的减少误操作，同时灵敏度也大大提高。

                                
2.高速度

Silicon Labs MCU采用的是3级流水线的指令结构，70%的指令执行只需1或2个系统时钟周期，CPU的速度可以达到25MIPS，每个通道的转换最快只需40us， 如果是27个通道，扫描一遍也只需1.08ms，高效的转换速率，可以提高系统的工作效率，同时让使用者体验速度的效果。

3.I/O配置灵活

Silicon Labs的MCU的I/O口可以根据设计人员的需要通过软件任意配置，不像其他的MCU的某些功能I/O已经被固定，从而在LAYOUT时出现许多交错的 线路而给设计带来麻烦，而且C8051F700最多可有38个电容转换输入通道，丰富的通道输入为电容触摸应用的设计带来更多的方便，兼容性更强。