MCU电容式触摸感应技术原理详解
转自 | 瑞萨嵌入式小百科
触摸按键现在越来越流行了，很多家具家电都带有这个功能。
早期，触摸芯片是一种功能单一的专用芯片，现在很多mcu都带有触摸功能。
本文就结合瑞萨mcu（比如rl78/g23、rx140、rx130、ra2l1、ra2e1等多个系列）给大家讲讲mcu电容式触摸感应技术原理，它们通过硬件实现了第二代瑞萨电容式触摸感应技术（简称ctsu2）。
ctsu2除了支持button、slider、wheel等传统的触摸方式之外，还能够执行触控界面的接近式传感、快速并行扫描、自动扫描、多电极连接，从而实现触摸板、3d手势识别等高级应用。
下面简要介绍瑞萨电容式触摸感应技术ctsu2的自容式和互容式检测原理。
自容式
1、自容式概述
图1-1所示为电极中产生的自电容。自电容式按键中连接到电容传感器的单个电极将测量电容量c。c的值是由电极及其周围导体形成的寄生电容cp和由电极及手指形成的寄生电容cf的复合值。电容的大小可以通过电容方程式计算 （参见note部分）。由于周围的器件是静态的，因此cp是常量，但cf会随着手指的靠近而增加。通过设置cf增加量的阈值，可以确定触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。请注意，如果手指直接接触电极，则会导致电极短路，并且无法再测量电容。通常，电极和手指之间有几毫米厚的覆盖面板。
note
c：电容，ε：相对介电常数，s：电极的正对面积，d：电极间距
图1-1 电极中产生的自电容示意图
2、ctsu2自容式检测原理
图1-2所示为自电容方式的ctsu2内部配置概览。ctsu2输出一个与所连接电极的电容量c成正比的数字计数值，并通过软件确定触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。连接到ctsu2时，电极会充当由传感器驱动脉冲控制的开关电容，并从充放电电流来估测c的电容。ctsu2测量模块具有电流-频率转换功能，输入与充放电电流等效的电流，并输出与电流量成比例的频率。
图1-2 自电容ctsu2内部配置概览
图1-3所示为ctsu2测量结果的示意图。当传感器驱动脉冲频率的一个周期比c充放电时间短且充放电不足时，则没有足够的电流流向c，因此计数值小于理想值。当寄生电容很大时，可以通过降低传感器驱动脉冲频率来进行测量。当传感器驱动脉冲频率降低时，ctsu2可测量的最大值为50pf。请注意，当传感器驱动脉冲频率降低时，电流-频率转换功能在单位时间内的测量次数也会减少，电极的灵敏度也可能会降低。可以通过调整ctsu2中的寄存器设定值来增加单位时间，但完成测量所需的时间也会增加。在设计电容式电极电路时，必须均衡考虑按键灵敏度、测量时间和抗噪性等条件。
图1-3 ctsu2测量结果示意图
自容式
1、互容式概述
互电容方式中的按键电极具有优异的防水性能、支持矩阵结构，以及许多其他自电容所不具备的功能。然而，互电容需要复杂的按键电极配置和布线，使得灵敏度调节难以实现。设计布局图案时，必须考虑每种方式的优缺点。此外，与自电容方式不同，当面板厚度低于指定水平时，灵敏度会降低。在确定面板厚度时，设计人员必须仔细考虑按键电极配置。
图2-1所示为电极中产生的互电容。互电容方式的特性是两个不同导体之间会产生寄生电容cm。互电容式按键包括连接到电容传感器的两个电极，即接收器电极rx和发射器电极tx。tx受到脉冲驱动时会产生电场，电荷也在cm中积累。当手指接近电极时，手指与电极之间会产生寄生电容cf，cm和cf并联。由于tx的驱动能量是恒定的，因此电荷量不会改变。因此，cm和cf上的电荷消除后，cm电荷也会减少。通过设置cf增加量的阈值，可以确定触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。请注意，如果手指直接接触电极，则会导致电极短路，并且无法再测量电容。通常，电极和手指之间有几毫米厚的覆盖面板。
图2-1 互电容电极示意图
2、ctsu互电容方式检测原理图1-2所
图2-2所示为互电容方式的ctsu内部配置概览。ctsu输出与连接到电极的rx和tx的互电容成反比的数字计数，并通过软件判断触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。为测量所连接的两个电极上存在的电容cm，ctsu通过反转脉冲输出和开关电容之间的相位关系来获得cm，同时测量两次自电容，然后通过软件计算两个值的差值。
图2-2 互电容方式的内部配置概览
AMD新旗舰线程撕裂者模拟测试，效果达预期
化工的产业链情况，帮你理解化工最基础的产业链知识
人工智能的底层硬件基石已完成--人造神经元
单相电表接线图_三相三线电能表接线图_三相4线电表实物接线图
三星S10+体验 它是一个黑科技的集大成者
MCU电容式触摸感应技术原理详解
pcb工艺有哪一些小原则
一种宽频带天线方案
在连续时间域中比较Papoulis滤波器和Chebyshev滤波器
OcleanOne电动牙刷体验评测 到底好不好用
上海的人工智能产业发展已经进入“快车道”
迪龙新能源推出的一款风冷版6.6KW车载充电机
Java中反斜杠有哪些用法
事件驱动的体系结构的一些想法
不再被闹钟“吓”醒？LED灯光佛系起床方式成亮点
iPhone8发布会倒计时：iPhone8、iPhone8Plus、iPhoneX即将上市，iPhone 8发布会6大亮点汇总
如何把控A型应急照明集中电源的切换時间
冷链温湿度监测系统的功能介绍
UVM中phase的执行顺序
吉利与FF联手，两个“疯子”的梦想秀，20亿能让贾跃亭梦想成真？
触摸按键现在越来越流行了，很多家具家电都带有这个功能。
早期，触摸芯片是一种功能单一的专用芯片，现在很多mcu都带有触摸功能。
本文就结合瑞萨mcu（比如rl78/g23、rx140、rx130、ra2l1、ra2e1等多个系列）给大家讲讲mcu电容式触摸感应技术原理，它们通过硬件实现了第二代瑞萨电容式触摸感应技术（简称ctsu2）。
ctsu2除了支持button、slider、wheel等传统的触摸方式之外，还能够执行触控界面的接近式传感、快速并行扫描、自动扫描、多电极连接，从而实现触摸板、3d手势识别等高级应用。
下面简要介绍瑞萨电容式触摸感应技术ctsu2的自容式和互容式检测原理。
自容式
1、自容式概述
图1-1所示为电极中产生的自电容。自电容式按键中连接到电容传感器的单个电极将测量电容量c。c的值是由电极及其周围导体形成的寄生电容cp和由电极及手指形成的寄生电容cf的复合值。电容的大小可以通过电容方程式计算 （参见note部分）。由于周围的器件是静态的，因此cp是常量，但cf会随着手指的靠近而增加。通过设置cf增加量的阈值，可以确定触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。请注意，如果手指直接接触电极，则会导致电极短路，并且无法再测量电容。通常，电极和手指之间有几毫米厚的覆盖面板。
note
c：电容，ε：相对介电常数，s：电极的正对面积，d：电极间距
图1-1 电极中产生的自电容示意图
2、ctsu2自容式检测原理
图1-2所示为自电容方式的ctsu2内部配置概览。ctsu2输出一个与所连接电极的电容量c成正比的数字计数值，并通过软件确定触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。连接到ctsu2时，电极会充当由传感器驱动脉冲控制的开关电容，并从充放电电流来估测c的电容。ctsu2测量模块具有电流-频率转换功能，输入与充放电电流等效的电流，并输出与电流量成比例的频率。
图1-2 自电容ctsu2内部配置概览
图1-3所示为ctsu2测量结果的示意图。当传感器驱动脉冲频率的一个周期比c充放电时间短且充放电不足时，则没有足够的电流流向c，因此计数值小于理想值。当寄生电容很大时，可以通过降低传感器驱动脉冲频率来进行测量。当传感器驱动脉冲频率降低时，ctsu2可测量的最大值为50pf。请注意，当传感器驱动脉冲频率降低时，电流-频率转换功能在单位时间内的测量次数也会减少，电极的灵敏度也可能会降低。可以通过调整ctsu2中的寄存器设定值来增加单位时间，但完成测量所需的时间也会增加。在设计电容式电极电路时，必须均衡考虑按键灵敏度、测量时间和抗噪性等条件。
图1-3 ctsu2测量结果示意图
自容式
1、互容式概述
互电容方式中的按键电极具有优异的防水性能、支持矩阵结构，以及许多其他自电容所不具备的功能。然而，互电容需要复杂的按键电极配置和布线，使得灵敏度调节难以实现。设计布局图案时，必须考虑每种方式的优缺点。此外，与自电容方式不同，当面板厚度低于指定水平时，灵敏度会降低。在确定面板厚度时，设计人员必须仔细考虑按键电极配置。
图2-1所示为电极中产生的互电容。互电容方式的特性是两个不同导体之间会产生寄生电容cm。互电容式按键包括连接到电容传感器的两个电极，即接收器电极rx和发射器电极tx。tx受到脉冲驱动时会产生电场，电荷也在cm中积累。当手指接近电极时，手指与电极之间会产生寄生电容cf，cm和cf并联。由于tx的驱动能量是恒定的，因此电荷量不会改变。因此，cm和cf上的电荷消除后，cm电荷也会减少。通过设置cf增加量的阈值，可以确定触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。请注意，如果手指直接接触电极，则会导致电极短路，并且无法再测量电容。通常，电极和手指之间有几毫米厚的覆盖面板。
图2-1 互电容电极示意图
2、ctsu互电容方式检测原理图1-2所
图2-2所示为互电容方式的ctsu内部配置概览。ctsu输出与连接到电极的rx和tx的互电容成反比的数字计数，并通过软件判断触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。为测量所连接的两个电极上存在的电容cm，ctsu通过反转脉冲输出和开关电容之间的相位关系来获得cm，同时测量两次自电容，然后通过软件计算两个值的差值。
图2-2 互电容方式的内部配置概览
AMD新旗舰线程撕裂者模拟测试，效果达预期
化工的产业链情况，帮你理解化工最基础的产业链知识
人工智能的底层硬件基石已完成--人造神经元
单相电表接线图_三相三线电能表接线图_三相4线电表实物接线图
三星S10+体验 它是一个黑科技的集大成者
MCU电容式触摸感应技术原理详解
pcb工艺有哪一些小原则
一种宽频带天线方案
在连续时间域中比较Papoulis滤波器和Chebyshev滤波器
OcleanOne电动牙刷体验评测 到底好不好用
上海的人工智能产业发展已经进入“快车道”
迪龙新能源推出的一款风冷版6.6KW车载充电机
Java中反斜杠有哪些用法
事件驱动的体系结构的一些想法
不再被闹钟“吓”醒？LED灯光佛系起床方式成亮点
iPhone8发布会倒计时：iPhone8、iPhone8Plus、iPhoneX即将上市，iPhone 8发布会6大亮点汇总
如何把控A型应急照明集中电源的切换時间
冷链温湿度监测系统的功能介绍
UVM中phase的执行顺序
吉利与FF联手，两个“疯子”的梦想秀，20亿能让贾跃亭梦想成真？