CapSense 最佳实践
作者：Mark Lee
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摘要
用于 CapSense 系统设计的最佳实践终于面世了。其中所涵盖的主题包括感应方式、布板（PCB Layout）和布局指南以及 CapSense 工具和技术概述。
引言
在便携式媒体播放器和移动手持终端等大容量、高可视性产品的应用中，电容式感应作为一种接口技术已被广泛采用。此举使更多的常规消费类电子产品产生了对该技术的需求，进而引起了技术的显著创新和多种竞争技术的出现。虽然这些技术各有千秋，但基本原理都是Sensor与其环境之间的电容变化的测量。 我们对可编程模块和固定功能的 IC 进行对比，由于可编程 IC 将可定制码用于开发解决方案，因此它允许在设计方面具有更大的灵活性。PSoC® CapSense 将微处理器、可编程的数字和模拟源、片内存储器和其他特性相结合，从而在电容式系统设计中实现了最大的灵活性。本应用手册简要描述了用于 CapSense 设计的最佳实践。
图 1 PSoC 模拟与数字模块可用于配置 CapSense 及其它功能
PSoC 架构允许设计人员将多个电容式感应设计元件整合到一种应用中。比如按钮、滑条、触摸板和接近式感应，在相同的电路中利用同一器件就可同时对这些元件提供支持。可使用 PSoC 来扫描电容式Sensor，并驱动 LED、控制马达、驱动扬声器等等，如图 2 所示。一种称为动态重构的概念使 CapSense 应用可根据需要即时进行重新配置，从而能够利用大于 100% 的系统资源。
图 2 采用 CapSensePlus 技术的应用实例：采用单个 PSoC还可实现马达、LED、以及扬声器等
1、易于配置的电容式感应解决方案
PSoC 可实施不同的 CapSense 方式（见参考书目 [1]）。所需的具体特性决定了感应的方式。如果最需要的是电池使用寿命并且要在 2.7V 电压下工作，那么CSA 的感应方式就是最明智的选择。但如果想拥有 CapSense 和其他特性，例如高噪声抗扰度和厚覆盖物，则 CSD 感应方式就是其最佳选择。
1.1. CSA 感应方式
CSA 是指 CapSense 逐次逼近感应方式，只能在 CY8C20x34 PSoC 系列器件中应用。
图 3 CSA 结构图
图 3 显示了 CSA的原理方框图，其工作流程如下：
开关 SW1 和 SW2 与 感应电容 CX 形成了一个开关电容网络，该网络可以等效为电阻。通过将 iDAC 设置到校准电平并使 SW1 和 SW2 切换，从而将 CMOD无线收发芯片 上的平均电压设定为随 CX 值而变化的电平。另外可设置 iDAC 至低电流电平并保持 SW2 打开，使得 CMOD 上的电压斜坡上升。在 CMOD 上用于达到 VREF 的斜坡电压的时间表示 CX 值。在比较器输出端的定时器可将斜坡时间转化为具体的数值。
在没有手指接触时，通过逐次逼近方式来确定需要的 iDAC 设置，从而使 CMOD 上的电压保持在 VREF，这样即可实现系统自校准。系统将为所有sensor存储单独校准的 iDAC 设置。 ad8009
玻璃微电极当手指接触时，CMOD 上的电压会处于更低的电压电平，这需要更多的时间才能达到阈值电压 VREF，如图 4 所示。如果 (t2-t1) 足够长，按钮就是处于手指接触（Finger-Present）状态，否则按钮就是处于手指离开（Finger-Absent）状态。
高达 100 pF 的内部可编程电容可用于 CMOD，但是更大的外部电容能够提升性能：按钮和滑条的电容为 1000 pF，而接近式感应则为 10 nF。推荐将 560 欧姆的串联电阻与所有 CapSense 输入串联以避免 RF 干扰。
图 4 在手指离开与手指接触的情况下，CSA 波形的变化
1.2. CSD Sensing Method
1.2. CSD 感应方式
CSD stands for CapSense with Sigma-Delta A/D. CSD is implemented in both the CY8C21x34 and CY8C24x94 PSoC device families.
CSD 是指 CapSense Sigma—Delta调制电容感应，其可在 CY8C21x34 和 CY8C24x94 PSoC 系列器件中应用。
Figure 5. CSD Configuration of CapSense
图 5 CSD 结构图、
图 5 显示了 CSD的原理方框图，其工作流程如下：
开关 SW1 和 SW2 与 感应电容CX 形成一个开关电容网络，从而在 VDD 和 CMOD 之间具有一个等效电阻。等效电阻的值由 CX 控制。SW1 和 SW2 的开关由 PRS 生成器的伪随机序列进行控制。SW3 工作时与 SW1 和 SW2 不同步。将 R柴油脱B 切换至接地时，CMOD
上的电压会下降。当 RB 接通时，CMOD 上的电压又会上升。比较器会根据 CMOD 上相对于 VREF 的电压而更改状态。
可通过添加 16 位定时器形成 Sigma- Delta A/D，以测量比较器高电平持续时间至比较器低电平持续时间。
当手指接触时，CX 会变大而 VDD 的等效电阻变小，这就能允许更多电流流入 C自动检测系统MO。比较器将花费更多的时间在 CMPHIGH 状态上，而 CMPLOW 状态的时间则会更少。如果 CMPHIGH/CMPLOW 的比率足够高，那么按钮就会处于手指接触状态，否则按钮就会处于手指离开状态，如图 6 所示。
Figure 6. CSD Waveform Changes With Finger Absent/Present
图 6 在手指接触与手指离开的情况下，CSD 波形的变化
与固定时钟源相比，PRS 更能有效降低噪声。推荐采用 3900 pF 的 CMOD 值。RB 要求调谐至sensor以获得最佳性能，其值大约为 5K-10K。推荐将 560 欧姆的串联电阻与所有 CapSense 输入串联以避免 RF 干扰。
2. How to Design CapSense Printed Circuit Boards
2、如何设计 CapSense 印刷电路板
在典型 CapSense 应用中，可通过印刷电路板 (PCB) 的布线来形成电容感应。下列指南说明了如何设计 CapSense PCB（见参考书目 [2]）。
2.1. 布线布局指南
电路板面积：CapSense 所需的电路板面积只比感应区自身稍大。Sensor周围的电场非常局限，尤其将接地层和Sensor铜箔置于相同的 PCB 层上时更为如此。
PSoC 布局：使 PSoC 与Sensor之间的距离保持最小化是一个不错的做法。通常将 PSoC 与其他组件一起贴装到底层，而将 CapSense Sensor置于顶层上。
板层：最常见的 PCB 为双板层，Sensor和栅格地层位于顶层，而其他器件则处于低层。当板区必须最小化时可采用四层板。典型的设计为处于顶层的Sensor，第 2 层走线，第 3 层为接地层，然后其他都在底层，如图 7 所示。不要直接在Sensor
下布线。
图 7 板级空间有限时，无叶风扇控制器CapSense 电路扳的四层布板情况
电路板厚度：目前发现基于 FR4 的设计可采用的标准电路板厚度为 0.020" (0.5mm)、0.047" (1.2 mm) 和 0.063" (1.6 mm)。那么电路板多薄才合适呢？一个经验法则就是Sensor与接地层之间的间隙应比其至接地层的垂直距离要小。
走线长度和宽度：必须使走线和Sensor的寄生电容 CP 最小化以确保系统的动态范围尽可能大。那么走线到底应该多长呢？在成功的 CapSense 产品中，用于滑条的最长走线是 9"
(230 mm)，而用于按钮的最长走线是 12" (300 mm)。（这个极限值示例要求更大的Sensor和更薄的覆盖物,以最大化来自Sensor的信号。）走线宽度将添加至Sensor CP，并且会增加耦合至其他层上的元件。0.0065" - 0.008" (0.17 - 0.20mm) 的走线宽度能满足大多数应用的需要。
过孔：应使用最少的过孔并与 CapSense 输入的走线保持一致以最小化 CP。可在Sensor上的任何位置进行过孔布置，如图 8 所示。
图 8 触摸板的过孔可以在Sensor的任何位置（底层走线、顶层Sensor）
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