Silicon Labs电容触摸感应MCU的工作原理与基本特征

——杨波 应用工程师，世强电讯  

    现在的电子产品中，触摸感应技术日益受到更多关注和应用，并不断有新的技术和IC面世。与此同时，高灵敏度的电容触摸技术也在快速地发展起来，其主要应用在电容触摸屏和电容触摸按键，但由于电容会受温度、湿度或接地情况的不同而变化，故稳定性较差，因而要求IC的抗噪性能要好，这样才能保证稳定正确的触摸感应。

    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。

图1

    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。

图2

    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。

图3

图4

    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。

图5

    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。

    四、Silicon Labs电容触摸系列MCU与其他竞争对手的性能对比

    C8051F7xx与C8051F8xx的电容触摸感应工作原理是一样的，只是C8051F8xx的输入通道相对少一些，最多只有16个通道，所以比较适合对输入通道要求更为灵活的触摸按键的应用，而C8051F7xx的输入通道最多可达38个，应用更为广泛，既可以应用电容触摸屏又支持电容触摸按键的应用。在现在的消费类电子产品中，可以应用于手机、洗衣机、机顶盒以及办公产品等等。同时在也可广泛应用于如触控面板、恒温箱、安全系统、自动提款机等工业领域。

    针对C8051F7xx与C8051F8xx系列产品及应用，Silicon Labs授权代理商世强电讯可以提供相应DEMO板以及配套完整可行的软件、资料和技术支持。■