【導讀】電容式觸摸感應技術在用戶界面上已然成為一種趨勢，但是電容式感應按鍵的設計以及實現穩定的實現方案對系統工程師來說是一項非常繁重的工作。在本文中，我們將重點介紹如何通過五個簡單的步驟來設計出可靠的電容式觸摸傳感器。
按鍵被廣泛應用于消費類產品、家用電器以及工業系統等各種終端產品。現今深諳技術的消費者希望得到具有時尚可靠用戶界面的產品。他們希望即便是簡單的產品都應該款式新穎，按鍵耐磨且易于維修。
在傳統的用戶界面（UI）設計中使用的是可靠性差且笨重沒吸引力的機械按鍵。基于這些以及其他原因，電容式感應按鍵逐步開始替代機械按鍵。電容式感應按鍵可以完全融入產品設計之中，而且永遠不會磨損。因此，基于電容式觸摸感應技術的用戶界面成為了目前用戶界面的設計趨勢。
然而，電容式感應按鍵的設計以及實現穩定的實現方案對系統工程師來說是一項非常繁重的工作。在本文中，我們將重點介紹如何通過五個簡單的步驟來設計出可靠的電容式觸摸傳感器。
傳統按鍵系統：
在談論怎么將機械按鍵系統改造成電容式系統設計之前，讓我們先來快速地了解下機械按鍵系統。機械按鍵一般都是使用諸如塑料、木材或金屬之類的材料制成。這些系統必須具備極高的可靠性，因為它們很容易受到灰塵等環境因素的影響，而且不耐磨。機械開關可循環使用的次數決定了其使用壽命（而且通常還決定了產品的使用壽命）。為了讓機械開關實現超長使用壽命，必須進行可靠、長時間的設計。
在設計中要考慮到的另外一個因素是美學設計。很多機械按鍵的設計都不好看又不吸引人，因此還需要花一些額外的功夫來進行美學方面的精美設計。由于機械按鍵通常會在設備上凸出來，因此要設計出一個帶機械按鍵的時尚而穩健可靠的用戶界面系統并不是一件容易的事。而在這方面電容式傳感器按鍵可以大大簡化這方面的設計。
然而，要設計出一個電容式感應系統也并非易事。它要比設計機械按鍵系統復雜很多，因為：
1.在感應和開/關判定邏輯上會涉及到諸多感應參數。
2.電容式觸摸傳感器易受到外部噪聲的干擾。
感應電路涉及到眾多硬件參數，諸如參考電壓、源極/汲極電流、時鐘等。因此，電容式開關的開/關判定邏輯還涉及到閥值等很多軟件參數。必須將這些參數設置為最優值以實現最佳性能。為這些參數選擇最優值稱為調諧。對電容式感應系統的調諧是一個既費時又費力的過程。電容式感應涉及到很多參數，因此會有很多的參數組合，這使得調諧工作更加費時。
可配置電容式感應器件：
可配置電容式感應器件可以避免繁瑣的調諧過程。現有一些帶有嵌入式自動調諧算法的預編程器件。自動調諧算法可以根據傳感器及其他感應元件的特征對所有的感應參數進行調諧，以達到最佳值。這樣就無需進行調諧操作，也消除了電容式傳感器的最大設計障礙。
另外，可配置電容式感應器件通常都支持各種外設和功能，如LED驅動器、蜂鳴器、掃描速率控制等。對這些器件進行配置就意味著啟用/禁用所需的這些功能，并根據應用需要設定活動功能的參數值。賽普拉斯的MBR系列電容式感應器件就是一款可以簡化電容式感應系統設計的可配置器件。在本系列文章中，我們以可配置電容式感應器件MBR器件為例，來探索電容式感應系統的設計。
現在讓我們來快速看一下在使用和不使用MBR器件情況下，電容式感應系統的設計周期。
圖1：不使用MBR器件時電容式感應系統的設計周期
圖2：使用MBR器件時電容式感應系統的設計周期
[page]
從圖1和圖2中的設計流程我們可以看出，MBR器件最突出的優勢在于：
1.使用MBR器件可以免除耗時的固件開發。
2.MBR器件所支持的自動調諧功能可以避免耗時的手動調諧工作，而且還可以進行設計迭代。
在下面章節中，我們將介紹使用MBR器件進行電容式感應器設計的5個步驟。此外，我們還將介紹電容式觸摸按鍵系統能夠提供的其他優勢與特性。
五步輕松替換機械按鍵
采用目前的MBR器件，就可避免固件開發、工藝變動分析、精調和產品精調等主要設計步驟。這樣，我們利用MBR器件通過五個簡單的步驟就可輕松替換機械按鍵。接下來我們探討一下使用MBR器件設計電容式感應系統的步驟，以及可以讓我們從機械按鍵輕松過渡到電容式感應按鍵的典型生態系統。
下圖給出了電容式感應應用設計的五個步驟。
圖3：設計電容式感應應用的五個步驟
以下為這五個步驟：
1.使用評估工具率先親自體驗MBR器件：
借助評估工具，并使用MBR器件構建設計的基本原型設計。
2.為您的應用設計原理圖及布局：
恰當的硬件原理圖與布局設計，對電容式感應系統的穩健運行至關重要。在本系列文章的后續部分，我們將會探討硬件設計方面的一些重要考慮因素。
3.配置MBR器件：
應根據應用的要求選擇所需的MBR器件特性。我們可以使用專門配置MBR器件的工具來完成這項操作。我們將探討一些使用電容式傳感器的常見應用，了解這些應用需要哪些功能與特性，以及MBR器件如何能夠滿足這些要求。我們還會看到配置MBR器件的各種方法。
4.驗證您的設計：
一旦硬件準備就緒，并且在MBR器件中選好了功能，下一步就是使用硬件和MBR器件來驗證系統的設計。在本系列文章中，我們將探討MBR器件制造商是如何提供工具和生態系統來簡化MBR設計的驗證工作。
[page]
5.進行大規模生產：
一旦設計通過驗證，第五步也是最后一步：進行大規模生產。我們將探索進行大規模生產所需要考慮的主要因素。
第一步：使用評估工具率先親自體驗MBR器件
在設計觸摸感應系統的原型之前，應先熟悉MBR器件并學習如何使用制造商的評估工具對其進行配置，這一點非常有用。
賽普拉斯的CY3280-MBR3CapSense MBR3評估套件就是一款用于MBR器件的評估工具。該評估套件包括評估電路板、樣本配置、軟件安裝程序和用戶指南。EZ-Click是賽普拉斯提供的直觀型GUI工具，可用來配置器件。樣本配置作為評估套件包的一部分，能夠幫助用戶熟悉如何配置MBR器件。
第二步：原理圖和布局設計：
原理圖：
建議您根據MBR設計指南中給出的建議來設計原理圖。MBR器件的設計指南提供了綜合全面的注意事項列表以及一些最佳實踐。
例如，為不同的功能選擇錯誤的引腳輸出會給性能帶來負面影響。考慮一下如果運行與傳感器跡線平行布局的通用輸出（GPO）跡線會怎么樣。在這種情況下，傳感器非常容易受到GPO狀態翻轉所產生的噪聲干擾。我們必須在原理圖設計的開始階段就避免出現這樣的情況。具體來說，就是絕不能將傳感器引腳旁邊的引腳選作GPO。此外，在選擇諸多功能多路復用的引腳時也要特別小心。這意味著每個引腳都具有多種功能，并且要根據用戶配置來選擇功能。
現在我們來看一看您在為設計創建原理圖時需要考慮的一些重要事項。使用MBR器件進行原理圖設計主要包括以下內容：
1.傳感器引腳的選擇
正如前面所提到的，傳感器必須避免使用GPO引腳旁邊的引腳。否則GPO上邏輯級的翻轉可能會導致串擾的發生，使傳感器出現誤觸發的情況。
除了按鍵以外，MBR器件還可支持一些特殊的傳感器（例如接近傳感器）和滑條。如果您的應用需要這些特殊傳感器，那么必須先為其選擇引腳，因為一般來說只有某些專用的引腳才能支持這些特殊傳感器。
為傳感器選好引腳之后，下一步工作就是改善抗噪性。下面介紹一些有助于提高抗噪性的技術方法：
a.在每個傳感器上配備串聯電阻器。這樣就會形成一個帶傳感器寄生電容的低通RC濾波器，可用來抑制射頻噪聲振幅。
圖4：用RC濾波器來抑制射頻噪聲振幅
b.將未使用的傳感器引腳短路接地，而不是使其浮動。這樣可以避免未使用的傳感器引腳拾取外部噪聲并將其傳輸至電容式感應系統。
2.GPO引腳的選擇
在選擇GPO引腳時必須考慮到傳感器引腳的選擇，這樣就可以避免GPO線路和傳感器之間的串擾。
MBR器件可支持源點（sourcing）和匯點（sinking）配置，來驅動GPO引腳上的LED。由于GPO的電流吸收能力要比其供電能力高很多，因此我們建議在源點配置下連接LED。
為了限制電流大小，應根據供電電壓添加一個適當數值的串聯電阻。如果您的設計所要求的吸收電流超過最高限值，那么可在GPO引腳上連接一個外部晶體管，并在強驅動模式下配置GPO。
3.電源連接和接地
為了限制傳導輻射，應使用數據表中所推薦的合適去耦電容。
[page]
4.其它的無源組件
一項好的電容式感應系統原理圖設計中必須包含MBR器件設計指南中所推薦的適當數值的所有無源組件。
其中一些重要的無源組件包括：
根據設計指南中給出的建議來設計您的原理圖。
圖5：使用MBR器件的樣本原理圖
在第1部分中，我們了解了步驟1的內容以及步驟2中的原理圖部分。在第2部分，我們將介紹在使用電容式感應按鍵替代機械按鍵時所需的設計布局情況。另外我們還會講到一個應用范例。
