關(guān)鍵詞： 電容式觸摸傳感器 , PCB , 手機(jī)觸摸按鍵 , I2C協(xié)議

在本系列文章的第1部分中，我們不僅探討了機(jī)械按鍵用戶界面與電容式觸摸傳感器用戶界面的差異，而且還討論了步驟1（設(shè)備的外觀與質(zhì)感）以及步驟2中的原理圖設(shè)計(jì)部分。第2部分，我們將介紹將機(jī)械按鍵替換成電容式感應(yīng)按鍵時(shí)所需的設(shè)計(jì)布局。此外，我們還將舉一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

步驟2：布局：

對于電容式傳感器設(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憽Ｃ總€(gè)布局都必須針對特定應(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]到較小按鍵對觸摸不夠敏感，而較大按鍵對觸摸太過敏感，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。

● 跡線長度：較長的跡線長度可增大傳感器的CP，從而可降低傳感器靈敏度。此外，長跡線還會像內(nèi)部天線一樣，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)廠商提供了各種高級工具來簡化該流程。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)支持的最大跡線長度及傳感器尺寸。

圖6：設(shè)計(jì)工具套件中的按鍵直徑及跡線長度估計(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長度的推薦值完成布局后，請先使用實(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（如跡線長度和傳感器尺寸）使用設(shè)計(jì)工具來計(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可接受工作范圍時(shí)發(fā)出警示。

圖7：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。

圖8：設(shè)計(jì)工具套件中的功率計(jì)算器

響應(yīng)時(shí)間（即傳感器識別觸摸的時(shí)長）是這些工具能夠估算的另一個(gè)重要參數(shù)。開發(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、過孔尺寸以及跡線厚度等。這些都是很簡單的建議，不是本部分涉及的內(nèi)容。此外，您的廠商也會提供設(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。
        
步驟3：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，從而可為開發(fā)人員帶來高度的靈活性。

開發(fā)人員可通過一系列能夠使用I2C等通信協(xié)議訪問的寄存器，了解MBR器件的功能配置。開發(fā)人員可將配置寫入這些寄存器，并通過向器件發(fā)送適當(dāng)?shù)拿顚⑴渲帽４嬷灵W存等非易失性存儲器中。重置后，該器件不僅可讀取保存在非易失性存儲器中的配置，而且還可根據(jù)配置進(jìn)行運(yùn)行。

有一些高級而復(fù)雜的功能，它們通常是電容式感應(yīng)按鍵用戶接口的一部分。但這些功能的設(shè)計(jì)和開發(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，可通過每款應(yīng)用的配置進(jìn)行定制。

現(xiàn)在，我們來看看一些應(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功能，例如快速訪問各種應(yīng)用以及訪問菜單或主頁等各種重要屏幕。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，可在用戶把手機(jī)靠近臉部時(shí)進(jìn)行檢測。檢測到臉部后，觸摸屏就會關(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)通過使用I2C協(xié)議從MBR器件定期讀取按鍵狀態(tài)來輪詢按鍵狀態(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)閉到開啟或者從開啟到關(guān)閉，MBR器件能夠發(fā)送信號通知主機(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)的工作電壓可能會比MBR電源低。在這種情況下，I2C線路必須拔掉或者轉(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”類型?？筛鶕?jù)該類型設(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)專用引腳，它可通過配置來支持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線路和主機(jī)中斷引腳可通過某個(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。

圖 9：移動(dòng)應(yīng)用中的電容式感應(yīng)系統(tǒng)方框圖

圖10：Android按鍵智能手機(jī)

在第2部分中，我們不僅介紹了將機(jī)械按鍵替換成電容式感應(yīng)按鍵時(shí)所需的布局，而且還舉出了一個(gè)智能手機(jī)應(yīng)用實(shí)例。第3部分，我們將介紹更多應(yīng)用實(shí)例，以及如何配置MBR器件才能實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用所需的專用功能。

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