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电容式触摸扩大工业和家用设备应用中的开关技术选择

时间:2016-10-25 阅读:
作为新的智能家电如电视、机顶盒、音频设备、白家电、PC外设、安防面板和工业控制正几乎不断地进入市场,用户接口的设计和用户体验的质量对市场吸引力有关键影响,最终,影响到销售和收入。通过用户接口创建好的印象至关重要,设计人员可选择各种各样的技术如传统的按钮开关或各种类型的触摸传感器。
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触摸控制可增强智能家电的高科技外观,但当考虑传感技术、触摸板设计和控制策略时,应当牢记一些注意事项。suPEETC-电子工程专辑

如今家庭和工作场所均越来越多地遍布着智能家电,它們具有吸引力和可靠性,最理想应该支持互动,易于通过用户口袋里的智能手机操控。suPEETC-电子工程专辑

作为新的智能家电如电视、机顶盒、音频设备、白家电、PC外设、安防面板和工业控制正几乎不断地进入市场,用户接口的设计和用户体验的质量对市场吸引力有关键影响,最终,影响到销售和收入。通过用户接口创建好的印象至关重要,设计人员可选择各种各样的技术如传统的按钮开关或各种类型的触摸传感器。suPEETC-电子工程专辑

开关或触摸,利与弊

机械开关如薄膜或触觉开关是成熟的技术,提供的优势包括低成本、易于使用和简单集成,需要最少的电子设计或软件工程。这些类型的开关还为用户提供保证,通过提供触觉反馈以确认按钮按下已被检测到。然而,机械开关的一些缺点包括相对慢的响应时间、由于依赖于移动部件而较差的可靠性、和可能需要额外要求的噪声抑制或反弹消除电路。suPEETC-电子工程专辑

另一方面,触摸传感器可创建更现代的印象,还简化了结构和装配。无需安装机械开关所需的面板开孔,可简化控制面板的机械设计。面板还可以密封,更易于防止液体渗入,如防水。这对许多类型的设备是有价值的特性,如咖啡机等厨房家电,同时增强可靠性及便于清洁。suPEETC-电子工程专辑

在当今使用的触摸传感技术中,包括电容式、电阻式或压电传感,电容式传感器被广泛用于当今市场的产品中。电容式触摸传感器可易于置于玻璃上或塑料上,采用如丝网印刷的工艺,可创建各种不同的形状如按钮、滑块或旋转选择器。背光也易于安排。在没有任何机械响应确认由触觉开关提供的致动的情况下,设计人员可使用光来确认触摸的检测。这可被用来创建时尚的效果,如保持面板的黑暗直到触摸,使用颜色变化的效果或高科技图标。还可引入低沉的蜂鸣音或叮当声以使触摸控制更具吸引力。保持所有这些效果都具有精密的外观和触摸灵敏的用户接口可创建的感觉。suPEETC-电子工程专辑

传感原理

一般来讲,电容式传感在用户指尖接近时通过检测传感器垫基本电容的变化来工作。在自感式检测中,接近的手指有效地增加了传感器的电容。变化增加了触摸板电路的时间常数,这是通过触摸传感器控制器中所用的充电时间测量电路来检测的。suPEETC-电子工程专辑

互差分传感是一种替代技术,它在用户的指尖靠近触摸板时检测在传感器垫和单独的励磁垫之间的电容的减少。电容的变化(ΔC)被检测到并转换为电压(Vout)。图1显示了用于生成Vout的差分放大电路。这与ΔC成线性关系,与阈值电压(Vt)相比较。当Vout超过Vt,说明触摸被检测到。suPEETC-电子工程专辑

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图1. 差分传感消除垫和地面之间的寄生电容(Cp)suPEETC-电子工程专辑

互差分传感提供了一个优势,通过提升的灵敏度提供大的动态范围。实际的好处包括在传感器模式设计方面扩展的灵活性,和由于更好地消除了垫和地面之间的寄生电容(Cp)从而增加传感器长的跟踪长度的容限。在实践中,已成功验证跟踪长度达500毫米。suPEETC-电子工程专辑

实现触摸控制器

触摸传感器必须有个具有足够通道的电子控制器以支持所需的触摸按钮总数。过去控制器已作为独立的特定应用IC或集成到微控制器来实现。基于微控制器的方案可结合使用模拟外设和软件,而其它一些方案提供专用片上触摸控制功能,如充电时间测量单元(CTMU)用于自感检测器。微控制器供应商可提供免费的电容式触摸软件IP,这可帮助简化代码开发。suPEETC-电子工程专辑

实现一个独立的控制器带来许多优势。IC如安森美半导体的LC717A00无需主机控制器,有一些内置特性,包括噪声消除和水检测以防止杂散响应。此外,还内置专利的自动噪声环境改变补偿技术以防止噪声相关的故障和可改变灵敏度的补偿效应,如湿度改变或传感器区域污垢的堆积。suPEETC-电子工程专辑

控制器的内置电路具有独特的C/V转换放大器,将监测的差分电容转换为输出电压。无需编程,可显著缩短开发时间,无需增添外部元件,因而帮助最大限度地降低物料单成本。图2显示了LC717A00采用独立模式,控制达8个电容式触摸传感器。该器件具有通信端口,I2C或SPI,视乎需要可方便地连接到主机控制器。suPEETC-电子工程专辑

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图2. LC717A00控制器采用独立模式,可监控达8个传感器通道suPEETC-电子工程专辑

控制器采用差分信号法,提供高灵敏度,并为设计人员扩展自由度以创建各种各样形状的控制面板,视乎需要提供长连接长度。图3显示示例触摸板设计,有非常长的跟踪长度。数据速率可配置至超过200 Hz,这支持用于需要快速触摸响应的设备中。suPEETC-电子工程专辑

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图3. 通过差分感测消除寄生电容,支持长的传感器跟踪长度suPEETC-电子工程专辑

该控制器的高信噪比支持极其可靠的触摸感测,即使用户戴着手套。这采用自感类检测器通常是不可能的。此外,该设计规则地控制传感器电极的形状和尺寸,气隙效应及覆盖层厚度和材料可放宽。图4显示采用真正的传感器数据的信号和噪声电平的例子。在这示例中,信号为17,000的数差,噪声为160的数差,因此信噪比(SNR)为106:1。suPEETC-电子工程专辑

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图4. 优异的信噪比确保可靠的触摸检测suPEETC-电子工程专辑

结论

电容式触摸作为一种用户接口技术用于现代智能家电有许多优势。互差分感测确保可靠的触摸检测,当布局控制面板和选择材料时支持更大的设计自由度。独立的特定应用触摸控制IC支持方便和快速地实施,基于这互差分感测技术,可提供优势如无需软件设计、节省外部元件,和加快项目完成。suPEETC-电子工程专辑

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