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【布局設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例篇】只需五步,輕松設(shè)計(jì)出電容式觸摸傳感器

發(fā)布時(shí)間:2015-03-13 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】根據(jù)本章第一部分【原理設(shè)計(jì)篇】的講解,我們不僅了解了機(jī)械按鍵用戶(hù)界面與電容式觸摸傳感器用戶(hù)界面的差異,同時(shí)還一起討論了原理圖設(shè)計(jì)部分。而本文將介紹設(shè)計(jì)布局及應(yīng)用實(shí)例部分。

布局:

對(duì)于電容式傳感器設(shè)計(jì)方案而言,布局非常重要,因?yàn)閭鞲衅骱苋菀资芡獠吭肼曈绊?。每個(gè)布局都必須針對(duì)特定應(yīng)用創(chuàng)建,因此布局輔助工作通常著眼于提供建議。所以,一般很難一開(kāi)始就給出理想的設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)任何電容式傳感器布局時(shí),開(kāi)發(fā)人員必須考慮的重要參數(shù)包括:

● 傳感器尺寸:傳感器尺寸取決于覆蓋層厚度。覆蓋層越厚,傳感器就越大??紤]到較小按鍵對(duì)觸摸不夠敏感,而較大按鍵對(duì)觸摸太過(guò)敏感,這都是我們不想要的,因此要優(yōu)化按鍵尺寸。

● 寄生電容(CP):傳感器的PC電路板跡線(xiàn)的固有電容叫寄生電容。大傳感器CP可使其更難感應(yīng)傳感器電容的微小變動(dòng),從而可降低靈敏度。電容式感應(yīng)布局應(yīng)將傳感器CP保持為最小。

● 跡線(xiàn)長(zhǎng)度:較長(zhǎng)的跡線(xiàn)長(zhǎng)度可增大傳感器的CP,從而可降低傳感器靈敏度。此外,長(zhǎng)跡線(xiàn)還會(huì)像內(nèi)部天線(xiàn)一樣,降低傳感器的抗噪性。

● 功耗:傳感器CP是影響器件功耗的主要因素之一。較大的傳感器CP可增大傳感器因此而必需掃描的時(shí)間,導(dǎo)致整體功耗上升。要降低功耗,傳感器CP必須保持最小。

一次成功優(yōu)化所有這些參數(shù)并非小事。為了避免布局重新設(shè)計(jì)的多次反復(fù)進(jìn)行,電容式感應(yīng)技術(shù)廠(chǎng)商提供了各種高級(jí)工具來(lái)簡(jiǎn)化該流程。例如,賽普拉斯提供的設(shè)計(jì)工具套件就是一款這樣的工具,可幫助開(kāi)發(fā)人員糾正布局設(shè)計(jì)。此外,它還可幫助各團(tuán)隊(duì)避免不太容易發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤,這些錯(cuò)誤的消除可能非常耗時(shí)耗力。該設(shè)計(jì)工具套件是EZ-Click軟件工具的一部分,可幫助配置MBR器件。

重要的布局注意事項(xiàng)

在最后確定電容式觸摸按鍵的布局前,需要決定的一個(gè)重要因素是傳感器尺寸。設(shè)計(jì)工具套件有助于根據(jù)覆蓋層材料、覆蓋層厚度以及系統(tǒng)噪聲等級(jí)設(shè)定最佳傳感器尺寸。

此外,該工具套件還可將系統(tǒng)屬性用作輸入,并能根據(jù)系統(tǒng)支持的最大傳感器寄生電容推薦設(shè)計(jì)支持的最大跡線(xiàn)長(zhǎng)度及傳感器尺寸。

只需五步,輕松設(shè)計(jì)出電容式觸摸傳感器
圖1:設(shè)計(jì)工具套件中的按鍵直徑及跡線(xiàn)長(zhǎng)度估計(jì)函數(shù)

在進(jìn)行PCB制造前要考慮的事情:

傳感器特性:采用傳感器尺寸及跡線(xiàn)長(zhǎng)度的推薦值完成布局后,請(qǐng)先使用實(shí)際值在工具套件的幫助下驗(yàn)證您的設(shè)計(jì),然后再進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。根據(jù)您所提供的輸入值(如跡線(xiàn)長(zhǎng)度和傳感器尺寸)使用設(shè)計(jì)工具來(lái)計(jì)算大致的寄生電容。該工具隨后可在傳感器寄生電容超過(guò)可接受工作范圍時(shí)發(fā)出警示。

只需五步,輕松設(shè)計(jì)出電容式觸摸傳感器
圖2:設(shè)計(jì)工具套件中的寄生電容計(jì)算器

功耗優(yōu)化是大部分設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要要求。此外,設(shè)計(jì)工具還可根據(jù)器件參數(shù)估算器件的功耗。這有助于設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要調(diào)整各個(gè)參數(shù),以降低整體功耗。

只需五步,輕松設(shè)計(jì)出電容式觸摸傳感器
圖3:設(shè)計(jì)工具套件中的功率計(jì)算器

響應(yīng)時(shí)間(即傳感器識(shí)別觸摸的時(shí)長(zhǎng))是這些工具能夠估算的另一個(gè)重要參數(shù)。開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)器件參數(shù)驗(yàn)證傳感器的響應(yīng)時(shí)間,必要時(shí),還可通過(guò)調(diào)整參數(shù)把響應(yīng)時(shí)間限定在要求范圍內(nèi)。

在設(shè)計(jì)布局時(shí)還需要遵循其它基本準(zhǔn)則,包括不同層的鋪地層、過(guò)孔尺寸以及跡線(xiàn)厚度等。這些都是很簡(jiǎn)單的建議,不是本部分涉及的內(nèi)容。此外,您的廠(chǎng)商也會(huì)提供設(shè)計(jì)指南和最佳實(shí)踐。要獲得最穩(wěn)健的電容式感應(yīng)設(shè)計(jì),所有這些都得遵循。
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為您的設(shè)計(jì)創(chuàng)建配置:

在設(shè)計(jì)的硬件部分(例如原理圖和布局)準(zhǔn)備就緒后,下一步就是為設(shè)計(jì)創(chuàng)建配置。MBR屬于即插即用器件,無(wú)需復(fù)雜編程,便可根據(jù)每個(gè)應(yīng)用配置器件的功能,從而可為開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)高度的靈活性。

開(kāi)發(fā)人員可通過(guò)一系列能夠使用I2C等通信協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)的寄存器,了解MBR器件的功能配置。開(kāi)發(fā)人員可將配置寫(xiě)入這些寄存器,并通過(guò)向器件發(fā)送適當(dāng)?shù)拿顚⑴渲帽4嬷灵W存等非易失性存儲(chǔ)器中。重置后,該器件不僅可讀取保存在非易失性存儲(chǔ)器中的配置,而且還可根據(jù)配置進(jìn)行運(yùn)行。

有一些高級(jí)而復(fù)雜的功能,它們通常是電容式感應(yīng)按鍵用戶(hù)接口的一部分。但這些功能的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)也并非易事。有了MBR器件,這些功能就已經(jīng)實(shí)施在器件中了,可通過(guò)每款應(yīng)用的配置進(jìn)行定制。

現(xiàn)在,我們來(lái)看看一些應(yīng)用示例,了解如何在MBR器件上為某款具體應(yīng)用選擇功能。此外,我們還將了解如何配置這些功能。

1.手機(jī)上的觸摸按鍵:

手機(jī)上的觸摸按鍵通常用于高級(jí)功能,例如快速訪(fǎng)問(wèn)各種應(yīng)用以及訪(fǎng)問(wèn)菜單或主頁(yè)等各種重要屏幕。一款典型的手機(jī)不僅有多達(dá)三個(gè)觸摸按鍵,而且還需要LED背光照明。除了按鍵與背光照明外,現(xiàn)在的手機(jī)設(shè)計(jì)還使用接近傳感器,可在用戶(hù)把手機(jī)靠近臉部時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)到臉部后,觸摸屏就會(huì)關(guān)閉,以防止臉部觸碰到屏幕上的圖標(biāo)。

此外,手機(jī)應(yīng)用還需要在主機(jī)和MBR器件之間提供通信鏈路。I2C是最常用的通信協(xié)議。為了優(yōu)化設(shè)備功耗,主機(jī)不應(yīng)通過(guò)使用I2C協(xié)議從MBR器件定期讀取按鍵狀態(tài)來(lái)輪詢(xún)按鍵狀態(tài)。如果在有任何按鍵狀態(tài)發(fā)生變化的情況下,例如按鍵從關(guān)閉到開(kāi)啟或者從開(kāi)啟到關(guān)閉,MBR器件能夠發(fā)送信號(hào)通知主機(jī),該工作就可完成。然后在收到MBR器件的警示后,主機(jī)只能通過(guò)I2C寄存器讀取該按鍵狀態(tài)。

手機(jī)的另一個(gè)注意事項(xiàng)是主機(jī)的工作電壓可能會(huì)比MBR電源低。在這種情況下,I2C線(xiàn)路必須拔掉或者轉(zhuǎn)接至不同于MBR電源的其它電壓。

必須在MBR系列包含的器件中選擇適合該應(yīng)用的最佳器件。該器件必須支持至少三個(gè)傳感器、一個(gè)接近傳感器和相應(yīng)數(shù)量的LED GPO。因此對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用而言,必須啟用3個(gè)電容式感應(yīng)按鍵、一個(gè)接近傳感器(實(shí)際數(shù)量根據(jù)應(yīng)用需求而定)以及所需數(shù)量的GPO(能夠驅(qū)動(dòng)LED)。GPO 的驅(qū)動(dòng)模式既可在開(kāi)漏與低電平有效之間選擇,也可在高電平有效與低電平有效之間選擇。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)而言,必須選用強(qiáng)驅(qū)動(dòng)模式。此外,GPO的類(lèi)型還可在MBR器件中選擇。如果LED采用極點(diǎn)配置設(shè)計(jì),應(yīng)選擇“低電平有效”類(lèi)型,而如果LED采用源點(diǎn)配置設(shè)計(jì),則應(yīng)選擇“高電平有效”類(lèi)型??筛鶕?jù)該類(lèi)型設(shè)定GPO的默認(rèn)邏輯狀態(tài)。如果選擇“低電平有效”,它就為“高(邏輯1)”,如果選擇“高電平有效”,它就為“低(邏輯0)”。

還有一個(gè)專(zhuān)用引腳,它可通過(guò)配置來(lái)支持MBR器件可支持的多個(gè)功能中的任意一個(gè)。例如,該引腳可以配置為“主機(jī)中斷”。在“主機(jī)中斷”功能在該引腳上啟用時(shí),MBR器件可基于任何按鍵狀態(tài)發(fā)生的任何變化發(fā)送低電平有效脈沖,警示主機(jī)有新情況發(fā)生。該主機(jī)中斷信號(hào)可中斷主機(jī),以便它讀取MBR器件的按鍵狀態(tài)。

這個(gè)功能有助于優(yōu)化整體系統(tǒng)功耗。I2C線(xiàn)路和主機(jī)中斷引腳可通過(guò)某個(gè)MBR器件中的一個(gè)名為VDDIO的特殊供電引腳獲取電源。VDDIO跟VDD不同,它是MBR器件的電源。由于I2C引腳和主機(jī)中斷引腳現(xiàn)在連接至不同的電壓,因此該MBR器件可支持MBR器件主機(jī)工作電壓低于MBR器件電源電壓的應(yīng)用。

只需五步,輕松設(shè)計(jì)出電容式觸摸傳感器
圖4:移動(dòng)應(yīng)用中的電容式感應(yīng)系統(tǒng)方框圖
只需五步,輕松設(shè)計(jì)出電容式觸摸傳感器
圖5:Android按鍵智能手機(jī)
 
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