PSoC的电容式非接触感应按键设计
作者：哈尔滨工业大学 邹明艳 张东来
摘 要：非接触式操作界面正逐渐取代普通按键,成为常用的人机交互工具。使用PSOC片上系统芯片CY8C2714,结合电容式感应原理,可设计一种基于PSoC微处理器芯片的电式感应按键,实现按键的非接触式可靠设计。PSoC片上系统芯片是具有高速内核、快闪内存和SRAM数据内存的高性能芯片,具有独立的程序存储器和数据存储器总线,设计者可自配置模拟模块和数字模块。
关键词：电容式 PSoC非接触式 感应按键
电容式感应技术正在迅速成为面板操作和多媒体交互的全新应用技术,其耐用性和降低BOM成本方面的优势,使这种技术在非接触式操作界面上得到广泛的应用。本文采用PSOC片上系统芯片,实现了非接触式、稳定可靠的电容式感应按键的设计。
1 PSoC片上系统
PSoC微处理器由处理器内核、系统资源、数字系统和模拟系统组成。PSoC片上系统包含8个数字模块和12个模拟模块。这些模块都可进行配置,用户通过对这些模块进行配置,定义出用户所需要的功能。数字模块可配置成定时器、计数器、串行通信口(UARTS)、CRC发生器、PWM脉宽调制等功能模块。模拟模块可配置成模数转换器、数模转换器、可编程增益放大器、可编程滤波器、差分比较器等功能模块。数字模块和模拟模块也可构成调制解调器、复杂的马达控制器、传感器信号的处理电路等。
2 电容式感应原理
电容开关是一对相邻电极,在电极之间有很小的电容。当一个导体接近两个电极时,在电极与导体之间会产生一个耦合电容。在这里,手指就是这个导体。通常电容开关的形式是一边接地的电容,导体的存在增加了开关到地之间的电容。检测是否有手指靠近,也就是检测是否有按键按下,可依据电容的变化来判断。检测电容变化的方法有很多：电流与电压相位差检测、电容构成振荡器进行频率检测、电容桥电荷转换检测。因为电容桥电荷转换检测的方法较适用于大量按键扫描和PSoC的性能,所以在此采用该方法进行检测。电荷转换电路从概念上来说与R—C充放电路相似,如图1 所示。电荷转移的优点是不需要附加电阻器件。Cp是感应的电容,它的值随着电极材料上所加导体而改变。Csum是参考总电容。
在检测周期开始,通过一个复位开关把Csum上的电荷全部放掉。然后通过单刀双向开关使CD工作在非重迭的周期上。在第一半周,Cp连接到VDD充电。当Cp上的电荷以由Cp值决定的速度充到VDD时,开关断开,然后把开关连接到Csum,Cp上的电荷转移到Csum中。
在图1中,因为Csum的电容值比CP大得多,所以Csum上的电压值在充电的每一周期内只有微小的增加。这个Cp到Csum上的电荷转换周期重复许多次,以使Csum上积累到一个大的信号值。当连接到VDD时,电容Cp上的电荷为：
