发布时间：2014-05-15 阅读量：860 来源: 发布人:
系统结构
电容式接近传感系统的结构如图1所示。控制器通过电极检测物体靠近手机时引起的电容值变化，一旦电容值变化超过控制器程序中设定的阈值，控制器便会向手机处理器发出中断信号， 如果此时手机正处于通话模式，主机将关闭LCD显示和触摸屏等部件，实现降低功耗和避免误触等目的。
图1 电容式接近传感器的系统结构
电极负责探测电容变化，其设计质量很大程序上决定了系统的整体性能。电极本质上就是一块平面导体，可以是FPC上的一块铜皮，也可以是电容触摸屏上的一块ITO薄膜。
图 2给出的ITO薄膜电极的设计示例。电极的尺寸直接影响接近感应的探测距离。在其他设计不变时，探测距离随电极尺寸的增大而增大。电极在外形上要尽量圆滑，避免出现直角或者锐角，而且电极要尽量完整。在手机应用中，电极通常采用矩形来最大化感应面积，此时需要注意圆弧化电极的拐角。电极应该放在FPC或者ITO薄膜贴近触摸屏的一侧，而且背面的另一侧通常需要腾空。电极背面对应的手机前壳区域应当避免有大面积的金属，否则会影响探测距离。电极周边需要铺设地线来增强电容基准，屏蔽噪声，并且提高感应方向的直线性。电极和地线的间距建议为0.5mm到1mm， 地线的宽度根据具体情况而定，建议不小于1mm。电极到芯片的引线应该尽量短且细，以减少寄生电容和耦合噪声。
图2 ITO薄膜电极设计图
影响系统性能的另一个主要因素是控制器。我们选用了赛普拉斯(Cypress)公司具有全新Quitezone技术的可编程CapSense控制器 CY8C20055。 Quitezone技术提供了无与伦比的抗辐射和传导噪声的能力，并且具有超低功耗，很适合在手机等移动终端中使用。该技术还实现了业界最佳的信噪比 (SNR)，在高噪声的环境中也可以通过Cypress已获专利的CapSense Sigma-Delta (CSD) Plus算法实现低至0.1pF的电容变化检测，非常适合应用于接近感应。另外，CY8C20055采用SmartSense自动调教技术，可以实时动态补偿运行时的环境变化，从而保证性能的稳定性和通道之间的一致性。
影响系统性能的另一个主要因素是控制器。我们选用了赛普拉斯(Cypress)公司具有全新Quitezone技术的可编程CapSense控制器 CY8C20055。 Quitezone技术提供了无与伦比的抗辐射和传导噪声的能力，并且具有超低功耗，很适合在手机等移动终端中使用。该技术还实现了业界最佳的信噪比 (SNR)，在高噪声的环境中也可以通过Cypress已获专利的CapSense Sigma-Delta (CSD) Plus算法实现低至0.1pF的电容变化检测，非常适合应用于接近感应。另外，CY8C20055采用SmartSense自动调教技术，可以实时动态补偿运行时的环境变化，从而保证性能的稳定性和通道之间的一致性。
硬件电路
本文设计的电容式接近感应的电路图如图3所示。CY8C20055的外围电路很简单，最小配置只需要2个电容 — 调制电容C1和去耦电容C2。
图3 电容接近感应电路图
在此电路中，芯片的PIN 3连接到电极来采集电容信号，推荐在连线靠近芯片处串联一个典型值为560欧姆的电阻，来抑制RF噪声。手机等移动产品都需要通过严格的ESD测试，由于电极的位置在手机上部，距离手机边缘、听筒、耳机插孔等很近(图2)，而且电极面积相对较大，ESD电弧很容易在经过这些开孔或者缝隙进入手机后耦合到电极上，对芯片管脚施加较大的电冲击，存在损坏管脚的风险。本设计在靠近芯片一侧添加了TVS之类的ESD防护元件来保护芯片，需要注意的是所选TVS器件的自身电容不能太大。CY8C20055提供I2C或者SPI接口与主机进行通讯。本设计中，主机可以通过I2C总线来配置感应参数、获取数据、关闭或唤醒芯片等等，也可以进行芯片程序(Firmware)的在线升级。
在PCB或者FPC布局时，调制电容和去耦电容需要尽量贴近芯片管脚。在走线时，主要注意避免电极引线和I2C信号线、电源线平行，如果无法避免，应该在走线中间加入地线作为隔离。
控制器内部逻辑
本文的电容式智能手机接近感应方案是电容检测技术在赛普拉斯 PSoC(Programmable System on Chip)平台上的新型应用。PSoC技术是在一个MCU内核周围集成了可配置的模拟和数字外围器件阵列，利用芯片内部的可编程互联阵列，有效地配置芯片上的模拟和数字块资源，达到可编程片上系统的目的。一个PSoC器件最多可集成上百种外设功能，从而帮助客户节约设计时间和板上面积，降低了功耗和系统成本。
整个系统的工作过程如图4所示。程序控制CSD模块对电容信号进行采样和ADC转换，然后通过数字滤波器对转换后的数字信号进行过滤和处理，同时由内部状态机判断输出接近感应的状态，由中断信号或者I2C/SPI接口通知手机处理器。下面来介绍一下整个系统主要模块的功能。
图4 电容式接近感应PSoC系统的工作过程
★CSD模块
CSD是指CapSense Sigma-Delta调制电容感应。图5显示了CSD的原理框图。
图5 CSD原理框图
开关电容在Ph1和Ph2相位的时候分别接到Vdd和VA，所以我们可以把它看作一个等效电阻，等效电阻Req通过Vdd对调制电容Cmod进行充电。当Cmod的电压达到比较器的参考电压Vref时，比较器触发放电电阻Rb对调制电容放电。当调制电容上的电压下降到Vref以下时，放电电阻Rb被断开，此时继续对调制电容进行充电。如此循环充放电使得调制电容上的电压抑制在比较器参考电压Vref附近上下浮动。同时比较器会输出一组比特流，这组比特流与PWM相与之后便可得到传感电容的大小，如图6所示。
图6 输出比特流
传感电容的增加会使得等效电阻降低，充电电流增加，这样就会使充电时间缩短。充电时间的缩短会使占空比提升，如图7所示。
图7 有接近感应时占空比的变化
★数字滤波
接近感应要求控制器能够检测到稳定的小信号来提高探测距离，因此控制器需要设置足够长的采样周期来提高信号幅度，同时也需要设置较低的触发阈值来提高灵敏度。灵敏度的提高意味着系统更容易受到噪声的干扰。因此，为了提高整个系统的信噪比，本文对原始信号依次使用了三种有效的软件滤波方法：中值滤波、均值滤波和IIR数字滤波，来滤除噪声。
1.中值滤波器
对于瞬间出现的单点或连续几点的噪声，中值滤波器可以很好的进行过滤。图8为一个三阶的中值滤波器。可以看出P3点会在采样后，被中值滤波器滤掉。在接近感应的实际应用中，由于采样速率较快往往会出现这样的噪点，中值滤波器可以很好的进行过滤，同时中值滤波器的输出信号也会使得后面的均值滤波器以及IIR数字滤波器的输入信号更加稳定。普通的n阶中值滤波器的时间复杂度约等于n*n，所以其阶数不宜过高，应根据实际的噪声情况进行合理选择。
图8 三阶中值滤波器
图9对比了实际采集的电容变化信号在使用中值滤波器前后的差异。红色为使用中值滤波器前的信号，蓝色为经过中值滤波器(三阶)的信号。
图9 中值滤波器输入输出信号对比
2.均值滤波器
均值滤波器则采用了对一组采样数据取平均值得方法来提高信噪比。均值滤波器会使信号的幅值更加稳定，也就会使IIR数字滤波器的输入更加稳定，相位偏差更小。但均值滤波器阶数的增加会使得接近感应的检测响应时间增加。图10对比了信号在使用均值滤波器前后的差异。红色为使用均值滤波器前的信号，蓝色为经过均值滤波器（四阶）的信号。
图10 均值滤波器输入输出信号对比
3.IIR数字滤波器
IIR数字滤波器具有反馈，一般认为是无限的脉冲响应。同时IIR数字滤波器的幅频特性精度很高，但相位不是线性的。也就是说在使用IIR数字滤波器的时候会使信号更加平滑，但同时会带来延时，造成整个系统的实时性有所下降。图11描述了IIR数字滤波器的原理。
图11 IIR数字滤波器原理
IIR数字滤波器在接近感应的应用中尤为重要，因为接近感应需要极高的灵敏度，所以信号需要十分的稳定和平滑。尽管IIR数字滤波器会对整个系统的响应造成一些延时，但由于资源的限制，软件滤波只能采用这种方式。在图11中，yn = a * yn-1 b * xn，对于系数a和b的选择，本文经过了大量的数据仿真，还在此基础上使用了Cypress专利，实现了动态调整系数a和b，使得整个系统的响应延时得到了明显的降低。
图12对比了信号在使用IIR数字滤波器前后的差异。红色为使用IIR数字滤波器前的信号，蓝色为经过IIR数字滤波器的信号。从图中可以明显地看出，经过IIR数字滤波器后的信号变得更加平滑，但同时也产生了一定的延时。
图12 IIR数字滤波器输入输出信号对比
★状态判断
在距离感应的实际应用中，由于不同客户有着不同的需求，所以在对于整个状态机的处理需要遵循几个原则：1. 保证检测的可靠性。2. 在各种限定条件下保证检测成功率最高。3. 尽量短的响应时间。
总结
本文设计的电容式接近感应探测系统具有结构简单、成本低、易于调试和量产等优点，同时在探测距离、反应速度、稳定性等方面也具有较高的性能。该设计在知名客户的智能手机中已经实现大规模量产，探测距离接近17mm， 响应速度的典型值是70ms， 并且通过了严格的ESD、EMC、温度等测试，实现了客户替换IR传感器的目标。
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