關(guān)鍵詞： 接近傳感器

用戶界面（UI）實施在過去幾年間不斷演進發(fā)展。系統(tǒng)設計人員若為實現(xiàn)電容式用戶界面添加電子元件，就能開發(fā)出極富差異化功能的系統(tǒng)。在大多數(shù)系統(tǒng)中，按鈕和旋鈕正被電容式觸摸按鈕和滑條所取代。這種用戶界面為系統(tǒng)添加了一種額外組件，即也可用于實現(xiàn)接近感應的電容式感應控制器。在用戶界面中集成接近傳感器可實現(xiàn)獨特的用戶體驗，同時降低總體系統(tǒng)功耗。俗話說，“天下沒有免費的午餐”，但是接近感應確實可以在不增加任何成本的情況下在大多數(shù)系統(tǒng)中實施。為系統(tǒng)用戶界面添加接近傳感器有兩個優(yōu)勢：
● 根據(jù)手與面板的接近程度來控制觸摸板和顯示屏背光LED
● 根據(jù)手與面板的接近程度來控制按鈕和滑條的掃描速率
背光控制 – 為觸摸板和顯示屏添加背光LED非常重要，這樣消費者就能在黑暗中操作設備。背光LED如果持續(xù)開啟會耗用大量電流。部分系統(tǒng)使用環(huán)境光傳感器來檢測光亮度，并相應控制背光。但是，當用戶不持續(xù)使用系統(tǒng)時，就不需要閱讀按鈕和顯示屏上的圖標，這時用于點亮屏幕的電能就會被浪費掉。一種降低功耗更為高效的方法是，用戶在任何時候需要操作設備時都可控制背光LED。此外，當手接近控制面板時打開背光LED還能優(yōu)化用戶體驗。如果背光LED持續(xù)點亮，不僅很煩人而且還會分散消費者的注意力。
可將接近感應功能用于進行手部接近檢測。如果手進入范圍內(nèi)，則背光LED被打開。例如，圖1(a)顯示了手未進入接近檢測范圍時觸摸板的狀態(tài)。當手接近該面板時，電容式接近傳感器就會檢測到它的存在，并由固件打開背光LED，如圖1(b)所示。很多應用都可以通過接近傳感器來控制背光LED，如家用電器、筆記本電腦以及手機按鍵等。
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圖1(a)：手未進入接近范圍時的觸摸板

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圖1(b)：檢測到手指接近時觸摸面板的背光LED點亮

掃描速率控制 － 在電容式感應控制器中，功耗與給定時間內(nèi)所掃描傳感器的數(shù)量成正比。如果能減少所掃描的傳感器數(shù)量，功耗就會隨之降低。低功耗不僅對于手持式應用來說至關(guān)重要，而且對于市電供電的應用來說也是如此，都需要確保節(jié)省電量以達到綠色環(huán)保標準。如果需要掃描的傳感器數(shù)量減少，控制器就可以在休眠模式下保持更長的時間。在用戶界面中，只有在手靠近面板時才能觸碰按鈕，因而可以使用接近傳感器且僅對該傳感器進行定期掃描。當控制器檢測到手處在設備的臨近區(qū)域內(nèi)時，才會開始掃描剩余的傳感器。否則，控制器在掃描完接近傳感器后會進入休眠模式。
從上述介紹的例子中不難看出，在這些應用中檢測手與面板的絕對距離并不重要，唯一的系統(tǒng)要求是檢測出可確保在手接近觸摸板時系統(tǒng)能以足夠快速度做出響應的最小距離。該距離取決于傳感器設計以及所采用的電容式感應控制器。
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接近感應的基礎知識
實施電容式感應的方法多種多樣，但大體上可分為兩類：自電容和互電容。不同的制造商采用不同的算法來實施這些方法。
互電容 – 基于互電容的實施方案是采用兩個傳感器導體片，并測量它們之間的互電容。這種實施方法的接近檢測范圍非常狹窄，無法滿足實際使用需求。互電容檢測的可靠距離通常小于5cm，甚至可能低至1cm。由于檢測范圍狹小，需要接近傳感器的應用很少采用這種方法。
自電容 – 這種實施方案采用單個傳感器，并測量它的系統(tǒng)對地電容。自電容方法可以檢測的接近范圍較寬泛。本文在下面幾節(jié)將以賽普拉斯CapSense控制器中所采用的CSD（CapSense Sigma Delta）算法為例來對自電容實施方法進行探討。該算法在PSoC器件中實施，能檢測高達30cm的接近范圍。
為了理解接近傳感器的實施，我們首先需要了解電容式感應的基本知識。如果我們觀察電容式感應系統(tǒng)，傳感器電容在手指沒有接近的情況下會呈現(xiàn)出圖2所示的狀態(tài)。這時的電容被稱為寄生電容（Cp）。當手指近傳感器時，會改變傳感器電容。這時會產(chǎn)生與Cp并聯(lián)的另一電容，稱為手指電容（Cf）。因此在手指接近時，傳感器的總電容（Cx）可通過方程式1得出。
Cx = Cp + Cf ---- 方程式1
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圖2：手指未接近時的傳感器電容

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圖3：手指接近時的傳感器電容

傳感器電容（Cx）可通過圖4所示的原理方塊圖來測量。
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圖4：用于電容測量的預處理電路

該系統(tǒng)是一種開關(guān)電容器實施方案，其中將傳感器電容Cx仿真為電阻Req。電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器（IDAC）連續(xù)為Cmod充電，直到Cmod上的電壓超過Vref為止，同時比較器輸出為高電平。然后斷開IDAC，Cmod通過Req放電，直到Cmod上的電壓降低到Vref以下為止。當Cmod再次充電到Vref時，比較器輸出為低電平。如果由于手的接近使Cx值增加，那么根據(jù)方程式2，仿真Req的值將變小。
Req = 1/FsCx ---- 方程式2
在方程式2中，F(xiàn)s是開關(guān)電容器模塊的開關(guān)頻率。
這樣，Cmod放電速度越快，比較器輸出高電平的時間就越短。這就意味著更高的電容值會使比較器的高電平輸出時間變短。比特流在固定的時間內(nèi)被饋送至計數(shù)器。計數(shù)器的值能反映出Cx的幅度。該計數(shù)器值被稱為原始計數(shù)量。計數(shù)器計數(shù)所用的總體固定時間被稱為分辨率，也能決定原始計數(shù)量。當分辨率增加時，計數(shù)器計數(shù)的時間變長并增加原始計數(shù)量。
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接近傳感器的實施
接近傳感器的接近檢測范圍由它的電力線決定。只有當手在接近過程中切斷傳感器的電力線時，才能引起電容變化。給定點的電通密度會決定手的接近所引起的電容變化量。給定點的電力線越多，手切斷電力線所造成的電容變化也就越大。為了獲得更大的接近檢測范圍，就要求使用大型傳感器來提供更高的電通密度。
接近傳感器的實施方法有多種：
● 導線
● PCB線跡
● 連接現(xiàn)有的按鈕和滑條
導線 – 導線是實施接近傳感器的最佳方法，因為它能實現(xiàn)最大的檢測范圍。使用導線可能會在制造組裝階段帶來難題。檢測范圍與導線長度成比例。
PCB印制線 – 這種實施方法能在提供恰當?shù)臋z測范圍和易于實施方面獲得最佳平衡。可將接近傳感器與按鈕和滑條一起設計在PCB板上。該傳感器的形狀與其他傳感器相比大相徑庭。為了達到更大的檢測范圍，電力線的環(huán)路區(qū)域必須要大。接近檢測范圍與環(huán)路尺寸呈正比關(guān)系。因而，接近傳感器必須形成一個圍繞所有電容式感應按鈕的環(huán)形，如圖5所示。
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圖5：PCB上的接近傳感器

傳感器共連 – 按鈕和滑條部分一般通過模擬多路復用器總線（有時被稱為AMUX總線）連接至電容測量系統(tǒng)。如果控制器允許所有傳感器同時連接到AMUX總線，那么所有傳感器就會短路，這會增大傳感器的總面積，并使它們成為單個傳感器。隨著傳感器面積變大，其會產(chǎn)生更高的寄生電容，而且根據(jù)傳感器數(shù)量和傳感器大小情況，接近檢測范圍可能僅有幾厘米。
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接地層/金屬物體的影響
如前所述，接近檢測范圍取決于給定點的電通密度。為了確保實現(xiàn)最大的檢測范圍，要求電力線盡可能實現(xiàn)最長的布線距離。然而系統(tǒng)中存在兩大會造成傳播距離變短的因素。這兩大因素是：
● PCB上的接地層
● 設備的金屬殼體
PCB上的接地層 – 圖6顯示了PCB上電容式感應按鈕的典型布局類型。
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圖6：電容式感應按鈕的PCB

在圖中可以看到，按鈕被網(wǎng)狀的接地層包圍。接地層有助于增強抗干擾能力。網(wǎng)狀圖案可用于保持傳感器的寄生電容處于極低的水平。顧名思義，大多數(shù)實施方案中的這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)都接地。較近的地電位距離按鈕可以讓電力線不用走很長距離就能與地電位融合。對于按鈕和滑條來說這樣做沒有問題，由于這種情況下手指與傳感器的距離非常近，因而電力線不需要很長距離的走線。
當使用相同的方法將接近傳感器在相同的PCB上進行實施時，根據(jù)上面的闡述，結(jié)果會顯而易見。圖5顯示了接近傳感器的相應實施方法。圖4與圖6的主要區(qū)別在于用保護電極替代網(wǎng)狀接地。保護電極是實施接近傳感器的關(guān)鍵。

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保護電極
驅(qū)動保護電極的信號就是用于驅(qū)動傳感器的信號。保護電極與PCB上包圍傳感器的交叉網(wǎng)格（Hatched Pattern）相連。由于交叉網(wǎng)格與接近傳感器之間沒有電位差，因此電力線不會受到影響。進行PCB布局的同時需要重點考慮的事項之一是交叉網(wǎng)格的電容。受保護電極驅(qū)動的限制電容值取決于控制器。
設備的金屬殼體
如果設備使用的是金屬殼體或者需要安裝在靠近金屬物體的位置，那么接近傳感器的實施過程就可能是個挑戰(zhàn)。圖7顯示了傳感器安裝在靠近金屬外殼時的電力線。
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圖7：傳感器的放置位置靠近金屬

如圖所示，大部分線路都流向地電位。從理論層面上講，解決辦法是避免電力線走向金屬物體。這可通過在金屬外殼與接近傳感器之間放置保護電極來實現(xiàn)。如圖8所示，接近傳感器被放置在PCB的頂層，而且保護電極則被放置在底層。
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圖8：帶保護電極的雙層PCB

當保護電極位于金屬與傳感器之間時，可以減少金屬對傳感器的影響。而這種防干擾效果與PCB和金屬外殼之間的距離成正比。如果PCB的位置距離金屬外殼較遠，那么效果就會更好。
推薦針對電容式感應按鈕使用雙層PCB，以實現(xiàn)所需的抗干擾性能。但是，有些系統(tǒng)必須使用單面PCB且可以用導線來實施接近感應，這種情況下可將保護電極置于頂層并位于導線的下面，如圖9所示。
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圖9：將導線作為接近傳感器的單層PCB

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接近傳感器的固件
接近傳感器的掃描時間通常大于觸摸按鈕，原因之一在于它們具有非常高的寄生電容。大電容器需要更長的充放電時間。手引起的電容變化相對于寄生電容來說非常小，因此很難檢測到它的存在。另外，接近檢測是手與傳感器有一定距離時候進行檢測，傳感器電容的變化值很小。因此電容感應系統(tǒng)需要具備更高敏感度才能測量這一微小變化。為了提高敏感度，接近傳感器的分辨率必須非常高且需要更長的掃描時間。例如，12位的分辨率對于按鈕來說可能已足夠好，但對于接近傳感器來說可能就要使用16位分辨率。就接近感應而言，建議使用器件所支持的最高分辨率。然而，采用高分辨率也會讓系統(tǒng)對噪聲更加敏感。另外，由于手接近引起的電容變化非常小，如果系統(tǒng)中的噪聲非常高，這一變化就很難檢測到。建議為從電容感應系統(tǒng)接收到的原始計數(shù)使用某種特定類型的濾波器，并在固件中實施這些濾波器。IIR濾波器不僅易于實施而且響應性能良好。方程式3表明了IIR濾波器的實施方法，圖10則是實施方法的圖形化表示。
yn = b*yn-1 + a*xn, 其中b = 1 – a ----（方程式3）
在該方程式中，‘yn’是濾波器的輸出，‘a(chǎn)’和‘b’是濾波器系數(shù)，‘xn’是電流輸入，‘yn-1’是上次的輸出。
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圖10：用于接近傳感器的IIR濾波器

濾波器有助于消除噪聲但也會降低響應速度。當手接近觸摸板時，需要一定時間才能在濾波器的輸出端看到相同結(jié)果。將濾波器的系數(shù)‘a(chǎn)’的值調(diào)高可以確保更快的相應性，但這會降低濾波效果。可以在固件中加入附加條件，用以檢測原始計數(shù)中的明顯變化。如果原始計數(shù)的變化非常明顯，就可以在一些樣本中忽略濾波器的輸出。
接近傳感器的一個簡單特性是在電容式系統(tǒng)中添加接近傳感器功能可以提升系統(tǒng)性能和用戶體驗。接近傳感器可通過用于觸摸式按鈕和滑條的電容式感應控制器來實施。基于自電容的電容式感應系統(tǒng)與基于互電容的系統(tǒng)相比可提供更長的接近檢測范圍。就實施而言，接近傳感器可使用導線、PCB線跡或者連接按鈕和滑條的方式來實施，但將導線作為接近傳感器的效果最佳。保護電極是一種交叉網(wǎng)格，可連接用于驅(qū)動傳感器的相同信號。保護電極必須緊挨著傳感器而不是地電位。當需要將接近傳感器放在臨近金屬外殼的位置時必須特別注意。保護電極有助于消除金屬物體的影響。為了達到令人滿意的接近檢測范圍，必須選擇可支持保護電極電容式感應處理器和恰當?shù)碾娙菔礁袘绞健Ｐ枰獮橄到y(tǒng)添加濾波器才能確保獲得良好的信噪比。IIR濾波器很適合這一要求而且能夠在固件中實施。
關(guān)于作者
Sachin Gupta現(xiàn)任賽普拉斯半導體公司可編程系統(tǒng)業(yè)務部（PSD）的高級應用工程師。他畢業(yè)于印度德里洲際大學（Guru Gobind Singh Indraprastha University），獲電子與通信專業(yè)學士學位。Sachin Gupta的電子郵件為：sgup@cypress.com。

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