——楊波 應用工程師，世強電訊  

    現在的電子產品中，觸摸感應技術日益受到更多關注和應用，并不斷有新的技術和IC面世。與此同時，高靈敏度的電容觸摸技術也在快速地發展起來，其主要應用在電容觸摸屏和電容觸摸按鍵，但由于電容會受溫度、濕度或接地情況的不同而變化，故穩定性較差，因而要求IC的抗噪性能要好，這樣才能保證穩定正確的觸摸感應。

    針對市場的需求，來自美國的高效能模擬與混合信號IC創新廠商Silicon Laboratories（簡稱：Silicon Labs）公司特別推出了C8051F7XX和 C8051F8XX系列的MCU（單片機），專門針對電容觸摸感應而設計，在抗噪性能和運算速度上表現的非常突出。

    一、 Silicon Labs公司的電容觸摸系列MCU

    目前Silicon Labs公司推出的C8051F7xx和C8051F8xx等電容觸摸系列MCU，以高信噪比高速度的特點在業界表現尤為出色。同時，靈活的I/O配置，給設計帶來更多的方便。另外，由于該系列MCU內部集成了特殊的電容數字轉換器(CDC)，所以能夠進行高精度的電容數字轉換實現電容觸摸功能。

    CDC的具體工作原理：

    如圖1所示，IREF是一個內部參考電流源，CREF是內部集成的充電電容，ISENSOR屬于內部集成的受控電流源，CSENSOR為外部電容傳感器的充電電容，由于人體的觸摸引起CSENSOR的變化，通過內部調整過的ISENSOR對CSENSOR進行瞬間的充電，在CSENSOR上產生一個電壓VSENSOR，然后相對內部參考電壓經過一個共模差分放大器進行放大；同理IC內部的IREF對CREF充電后也產生一個參考電壓并相對同樣的VREF經過差分放大，最后將2個放大后的信號通過SAR（逐次逼近模數轉換器）式的ADC采樣算出ISENSOR的值。

圖1

    Silicon Labs SAR式的ADC采樣可選擇12-16位的分辨率，如圖2所示，采用16位的分辨率進行逐位比較采樣：首先從確定最高位第16位（IREF=0x8000）開始，最高位的值取決于電容的充電速率，也就相當于電流的大小，取電流IREF/2，比較VSENSOR和VREF：

    VSENSOR > VREF 則 最高位 = 0 ；

    VSENSOR < VREF 則 最高位 = 1 ；

    隨后，SAR控制邏輯移至下一位，并將該位設置為高電平，進行下一次比較：

    如果第16位是1，則取下一個IREF=0xC000 ；

    如果第16位是0，則取下一個IREF=0x4000.

    這個過程一直持續到最低有效位(LSB)。上述操作結束后，也就完成了轉換，將算出的16位轉換結果儲存在寄存器內。

圖2

    利用此電容采集轉換功能，可用在電容觸摸屏或者觸摸按鍵上。比如，電容式觸摸屏的應用（圖3所示）。一般自容式電容觸摸屏主要包括一層表面玻璃層，中間兩層行列交叉的ITO層（行列層之間間沒有短接），以及GND底層。每一行和列分別與MCU的采集輸入通道直接相連，當手指觸摸到電容屏的表面玻璃層時，會引起某一行或列的ITO 塊的對地電容（如圖4）值變大，從而通過電容采樣以及特定的算法確定電容值發生一定變化的點（觸摸點）的位置（X,Y）,最后將觸摸點的位置上傳給主處理器實現系統操作功能。

    目前Silicon Labs 的C8051F7XX觸摸屏功能主要是單點觸摸，但通過軟件算法可以實現兩點的手勢識別，比如縮放、旋轉等，同時還能實現對水滴識別以及濕的手指觸摸正常劃線功能。

    而觸摸按鍵的電容采樣原理一樣，只是每個采集輸入通道連接一個觸摸按鍵，MCU可以直接確定某個按鍵被觸摸然后進行相應功能的實現，算法處理相對簡單。

圖3

圖4

    三、Silicon Labs觸摸系列 MCU的優勢及特點

    1.   高信噪比          

    電容傳感器模塊是先通過釋放外部電容的電量，然后再計算出其充電速度來確定變化的電容值的。所以在每次的測量之前必須徹底地釋放掉電容遺留的電量才能保證更準確的測量。

    外部電容的放電是否徹底直接影響到抗噪性能，一般的MCU都是通過一個電阻接地來放電的，而Silicon Labs的MCU是在每一位的轉換之前進行兩級的電容重置放電：首先通過連接一個小阻值的電阻接地進行第一級的放電，釋放了絕大部分的電容殘余電量，然后轉向第二級的重置釋放，與一個高阻值的電阻串聯接地，徹底消除可能由于第一級重置釋放結束時產生的噪聲能量。通過兩級的電容重置釋放可以充分地消除環境噪聲的影響，從而大大提高轉換的信噪比。

    傳統的信噪比計算方法是手指觸摸時測量的平均電容值AvgA與空閑時所測量的電容值的差值AvgI，然后與空閑時噪聲引起的電容的峰值NoiseI的比值：

    目前業界所能達到的信噪比一般只做到80：1，而Silicon Labs 的觸摸系列MCU的信噪比則可達到99.7:1（如圖5所示），高的信噪比保證更大程度的減少誤操作，同時靈敏度也大大提高。

圖5

    2.    高速度

    Silicon Labs MCU采用的是3級流水線的指令結構，70%的指令執行只需1或2個系統時鐘周期，CPU的速度可以達到25MIPS，每個通道的轉換最快只需40us,如果是27個通道，掃描一遍也只需1.08ms，高效的轉換速率，可以提高系統的工作效率，同時讓使用者體驗速度的效果。

    3.    I/O配置靈活

    Silicon Labs的MCU的I/O口可以根據設計人員的需要通過軟件任意配置，不像其他的MCU的某些功能I/O已經被固定，從而在LAYOUT時出現許多交錯的線路而給設計帶來麻煩，而且C8051F700最多可有38個電容轉換輸入通道，豐富的通道輸入為電容觸摸應用的設計帶來更多的方便，兼容性更強。

    四、Silicon Labs電容觸摸系列MCU與其他競爭對手的性能對比

    C8051F7xx與C8051F8xx的電容觸摸感應工作原理是一樣的，只是C8051F8xx的輸入通道相對少一些，最多只有16個通道，所以比較適合對輸入通道要求更為靈活的觸摸按鍵的應用，而C8051F7xx的輸入通道最多可達38個，應用更為廣泛，既可以應用電容觸摸屏又支持電容觸摸按鍵的應用。在現在的消費類電子產品中，可以應用于手機、洗衣機、機頂盒以及辦公產品等等。同時在也可廣泛應用于如觸控面板、恒溫箱、安全系統、自動提款機等工業領域。

    針對C8051F7xx與C8051F8xx系列產品及應用，Silicon Labs授權代理商世強電訊可以提供相應DEMO板以及配套完整可行的軟件、資料和技術支持。■