手機、汽車音響系統、筆記本電腦、PC、白色家電和工業應用中數十億機械按鈕都已被電容式感應按鈕所替代。電容式感應控制技術的使用讓應用變得更美觀，更易用、更靈活。不過，雖然電容式感應技術已經發展到能夠提供現成的解決方案，推動按鈕替代更快速更便捷地實現，但電容式感應按鈕替代機械按鈕不一定是件很簡單的事情。解決方案日趨簡單化，這有助于降低設計人員在最終產品開發過程中添加電容式感應用戶界面(UI)所要面臨的風險。基本上，UI設計任務已演變為傳感器開發板的PCB布局，而電容式感應控制器則負責處理其它工作。
從機械按鈕轉變為電容式感應按鈕過程中，第一個挑戰就是為全新的電容式感應設計方案開發固件。電容式感應按鈕相對于機械按鈕而言更容易受到噪聲的影響，因此設計人員在每個設計階段都必須認真細致應對這一問題。此外，系統不僅需要在設計過程中進行智能調節，而且還要在生產階段進行全面測試。
電容式觸摸感應基礎知識
先看看典型的電容式感應按鈕是如何工作的。電容式觸摸傳感器由銅焊盤、電容感應控制器輸入引腳及之間的連線共同組成。圖1顯示了典型的電容式感應按鈕情況。
圖1：電容式觸摸傳感器截面圖
手指不觸摸外覆層（通常為置于傳感器導體片上的非導電性材料）時，電容式感應控制器測量到的寄生電容（CP）如圖2所示。CP為傳感器上分布電容總和。
圖2：寄生電容（CP）
手指接觸外覆層時，就會形成一個簡單的平行板電容器，所產生的電容稱為手指電容（CF）。手指觸摸時，總傳感器電容（CX）就如方程式1所示：
CX = CP + CF 方程式1
電容式感應控制器通過將測量到的電容轉化為數值，來監控傳感器電容。
電容式感應按鈕替代機械按鈕
電視機的頻道/音量調節、遙控、游戲手柄、FM調頻收音機旋鈕等大多數老式應用都用機械開關作為用戶界面。雖然機械開關互動不需要復雜的算法，但卻存在自身的劣勢。
機械開關為什么不好用？
機械按鈕：
- 反復使用容易磨碎或卡住
- 容易積攢灰塵
- 不夠美觀
- 設計過程中涉及高工裝成本
為了解決這些問題，不同產業的電子產品設計人員都開始轉向采用觸摸感應這種新技術。觸摸感應包括三大類：
1. 電阻觸摸
2. 電感觸摸
3. 電容式觸摸
電容式感應不僅讓用戶界面變得美觀，而且觸摸感應功能也簡便易用。電容式觸摸傳感器已經替代了數十億機械按鈕。電容式感應不僅讓前面板外觀變得時尚，而且還消除了機械按鈕容易磨損的問題。
就電視/顯示器應用而言，由于電容式感應技術能夠增加其美感，正得到廣泛應用。電視/顯示器通常采用非導電性材料制造的邊框。若采用機械按鈕，邊框需要與按鈕相協調，這肯定會涉及到較高的工裝成本。而電容式感應按鈕正好位于框架下，框架本身就是外覆層，手指觸摸框架就能實現電容式感應操控。圖3顯示了電容式感應按鈕取代難看的機械按鈕的情況。
圖3：電容式感應按鈕取代機械按鈕
電容式傳感器的演進：電容式感應技術不僅支持按鈕應用，還提供線性滑條、徑向滑條等多種不同的傳感器/界面選項。
電容式按鈕：
傳統的電容式感應SoC僅提供按鈕。純按鈕器件不斷發展，可替代手機、白色家電等應用的機械按鈕。現在，電容式感應按鈕已取代了電視、LCD顯示屏、打印機、PC觸控板等大量設備的機械按鈕。
電容式感應按鈕是電容式感應應用最基本的功能。不管外覆層的材料和厚度如何，都能輕松檢測到導電物體（如手指）是否存在。電容式感應按鈕幾乎能替代任何應用中機械按鈕。
電容式滑條：
音量增減、FM收音機調頻等應用采用滑動旋鈕或徑向旋鈕來控制，而現在這些旋鈕正分別被線性滑條或徑向滑條等電容式傳感器所取代。音量增減操控等應用采用線性滑條，而iPod滾輪等應用則采用徑向滑條進行功能選擇。
線性滑條：
滑條為界面設計提供了更高的功能。滑條可用來確定位置，其分辨率比按鈕高出上百倍，而且可采用線性和徑向等不同排列方式。
可采用插值法這種數學運算方法來實現更高的分辨率。測量構成滑條的所有傳感器上的電容變化，并通過相鄰傳感器上的電容值就可確定手指位置。
徑向滑條：
徑向滑條跟線性滑條很類似，不同之處在于徑向滑條的各個傳感器采用環形排列，而且明確位置的算法與線性滑條略有不同。
從機械按鈕向電容按鈕轉型
圖4給出了典型的機械按鈕用戶界面（UI）設計流程。
圖4：機械按鈕設計流程
電容式按鈕替代機械按鈕時，設計流程需要增加一些步驟，如圖5所示。
圖5：電容式感應按鈕設計流程
比較設計流程，就會發現設計電容式感應UI需要在兩個不同的階段進行精調，并分析工藝差異。此外，固件開發也不像機械按鈕那么直觀。
固件：
電容式按鈕的固件要實施算法來感應電容變化。固件還需要通過綜合技術來處理系統內外部噪聲，這些都不是機械按鈕實施中要面臨的問題。
精調：
精調是任何電容式感應觸摸界面所不可避免。精調就是一個確定電容式感應最佳參數值的過程，以確保不同機械構造的界面在不同環境條件下實現最可靠、最高健碩性的性能。這就需要全面了解電容式感應系統在不同條件下的工作原理。
電容式感應系統調節的一個主要目的就是為了可靠地識別傳感器觸摸與非觸摸狀態。在信噪比（SNR）計算中：
信號（S）：手指放在傳感器上引起的傳感器響應變化。
噪聲（N）：手指移開時傳感器響應的峰間變化。
為了實現可靠的電容式感應性能，信號強度應大大高于存在的噪聲。通常我們建議信號至少應為噪聲的5倍，也就是說建議最低信噪比為5:1。
精調是一個既費時又費力的反復過程，只要PCB或外覆層發生變化就需要反復調節。
生產微調：
電容式感應性能取決于電容式傳感器的物理屬性和環境條件。一旦廠商、工藝或環境（如濕度、溫度等）發生變化，傳感器的寄生電容就會發生變動。這就需要進行微調，同樣也需要在生產過程中對樣品進行統計分析，從而最大限度地降低因故障造成的產量損失。
在確定設計是否能投入量產之前，需要全面解決所有問題。總體說來，這是一項非常繁瑣的工作。如果我們能消除繁瑣的調試工作，簡化整個過程，顯然會縮短產品上市時間，降低系統成本，減少工作量。
生產線測試：
任何即將上市的產品都必須在生產階段經過測試。電容式感應系統必須在不同設計階段進行生產線測試，輕松、及時有效地發現問題。我們下面會看到，生產線測試是電容式感應UI設計過程中的一個重要階段，必須認真執行。
根據生產過程的不同階段，生產線測試分為三步：
1) 視覺/光學檢查
2) 在線測試（ICT）
3) 功能測試
a. 預集成功能測試
b. 集成后功能測試
1) 視覺/光學檢查：
這是初步檢查，可排出一些有問題的PCB。篩選出用放大鏡/顯微鏡發現有表面貼裝技術(SMT)問題的PCB。注意以下瑕疵：
● 起鱗
● 未對齊
● 錫裂
2) 在線測試（ICT）
在線測試指的是在使用過程中驗證傳感器到器件引腳之間和通信線路到主機之間的物理連接。用“pogo引腳”進行器件引腳和傳感器/通信線路之間的電子連接測試。
注意以下問題：
● 通信故障
● 中斷線路問題
● 傳感器短接到恒定電壓
● 傳感器之間短接
● 傳感器開連
● LED開連
● LED短接
3) 功能測試
一旦PCB通過目檢和ICT測試，我們建議進行功能測試以節約資金。不同層次的功能測試如下：
a) 預集成功能測試
1. 無外覆層的預集成測試
2. 有外覆層的預集成測試
b) 集成后功能測試
無外覆層的預集成功能測試：
外覆層安裝和系統集成前測試電容式傳感器功能，減少返工故障成本。我們可用金屬手指來測試電容式感應按鈕的手指 模擬情況，以減少操作人員的操作差異并確保所有LED/傳感器都經過測試。為了節約時間，這項工作可以自動化進行。為了獲得最佳結果，金屬手指應盡可能多地覆蓋按鈕表面。圖6顯示了典型的金屬手指大小。
圖6：用于生產線測試的金屬手指
有外覆層的預集成功能測試：
這是安裝外覆層后對電容式傳感器功能的測試。測試過程中，用非導電均勻介質連接外覆層到PCB并確保外覆層和PCB之間沒有氣隙。同時用金屬手指來測試電容式感應按鈕上的手指 模擬情況，以減少操作人員的操作差異，并確保所有LED/傳感器都經過測試。
有外覆層的集成后功能測試：
這是發貨前的最后在系統測試。可用金屬手指來測試電容式感應按鈕上的手指 模擬情況，以減少操作人員的操作差異，并確保所有LED/傳感器都經過測試。
解決方案
自動精調
業界現在通過跟蹤系統的噪聲和環境條件可用創新型方法實現電容式感應子系統的自我調節（即自動監控和設置參數）。自動精調使設備能在加電時根據環境條件和系統機械設計初始化所有電容式感應相關參數，因此自動精調能減輕不同設計和生產階段的精調負擔。
機械按鈕替代（MBR）器件：
自動精調和生產線測試在設計中發揮重要作用，但實施起來并不簡單。
這里就需要用到MBR器件。MBR器件能為電容式感應實施提供現成的即插即用方法，無需編寫代碼或精調傳感器。從圖7的設計流程圖就可以看出，采用MBR器件可以省去固件開發等許多不同的設計環節，因此電容式感應按鈕設計流程更類似于機械按鈕。
圖7：MBR設計流程
MBR器件提供自動精調和內建自測試（BIST）等功能，有助于設計和生產線測試。有了這些功能，無需進行器件編程或系統調節。不過，MBR器件不只是一個ASIC，設計人員通過對MBR器件參數進行配置還可自由選擇將使用的功能，從而讓器件能以特定的方式工作。
廣泛說來，有兩種配置MBR器件的方法：
● 基于原理圖的配置
● 基于寄存器的配置
基于原理圖的配置
這種方法直接取代機械按鈕。主機無需用I2C或SPI等通信接口連接MBR器件。基于原理圖的MBR器件，其功能可通過連接到器件輸入引腳的電阻等無源組件進行配置。根據輸入引腳狀態（例如引腳短接到VDD、引腳短接到接地，以及通過定值電阻接地的引腳），MBR器件中可啟用或禁用不同的功能。
設計人員要做什么？
設計人員僅需要明確需要什么功能，并根據設計要求拿出原理圖。一旦有了原理圖，就能生成布局并進行開發板的生產。開發板填充后，電容式傳感器UI也就成形了。
基于寄存器的配置
電視/顯示器等應用的UI其主機與UI控制器互聯通信。要替代這類應用中的機械按鈕，MBR器件可通過I2C等接口配置。采用機械按鈕的現有設計已提供有I2C智能接口，因此用MBR器件替代機械按鈕無需額外的智能修改或任何重大的固件修改。
基于寄存器的可配置MBR器件提供一系列寄存器，可供主機寫入數據，以配置器件的各種特性與功能，并通過I2C接口讀取多種數據。
主機可進行兩種類型的配置：
a. 動態影響器件功能的配置：主機寫入寄存器時，相應采取的行動在MBR器件特定的已知延遲后立即生效（例如軟件復位）。
b. 只在器件復位時才影響器件功能的配置：主機寫入寄存器后，主機需發送指令將這些設置保存到MBR器件的閃存存儲器中。這些設置只有在復位后才生效。如果寄存器設置不保存到閃存，器件將采用此前閃存中存儲的寄存器設置，或者采用工廠的默認設置。
主機需要做什么？
為了配置MBR器件，主機必須寫入寄存器以配置器件的特性，復位后生效。主機然后發送指令給MBR器件，要求將設置保存到閃存。下次復位后，MBR器件將根據這些設置工作。
如果用戶發現MBR器件不能按預期工作怎么辦？原因是什么？器件或許配置錯誤，也可能是存儲在閃存中的設置已經損壞。數據丟失有諸多原因，從而導致器件功能無法預測。配置過程的不同階段都有可能發生數據丟失：
1. 主機到從設備的通信過程中可能出錯，導致配置位損壞。
2. 如果MBR器件存儲設置到閃存時斷電，閃存中存儲的數據可能損壞。
3. 數據存儲到閃存中后，如果閃存損壞，也可能導致數據損壞。
為了保持數據的一致性，可在配置過程的不同階段采取各種校驗措施：
1. 為了確保從主機傳輸到MBR器件的數據被MBR器件成功接收，主機可隨數據發出校驗和。然后，MBR器件將主機發出的校驗和與MBR器件根據接收數據計算出的校驗和進行比較。MBR器件隨后向主機確認數據是否成功被接收。隨后，主機可以決定是重新發送數據還是發出指令，要求將數據存儲到閃存中。
2. 接下來檢查MBR器件將從主機接收到的數據保存到閃存這一階段的數據情況。一旦將數據保存到閃存，MBR器件會計算閃存中存儲的數據的校驗和，并將其與主機發送的原始校驗和進行比較。MBR器件隨后向主機確認數據是否成功被存儲。讀取信息時，主機可再次發送數據，或重新發出指令，要求將數據保存到閃存中。
3. 再下一步就是對MBR器件復位后根據閃存中存儲的設置采取行動這一階段的檢查。每次復位后，MBR器件都計算閃存中存儲的設置的校驗和，并將其與閃存保存設置時所存儲的校驗和進行比較。如果校驗和不一致，MBR器件就采用備份或閃存中其它部分保存的原始數據。在極罕見的情況下，兩個版本都損壞，這時數據就采用出廠前默認的設置。
這種預防性措施通常被視為斷電故障安全機制的一部分。
MBR解決的常見問題：
1. 側翼傳感器抑制（FSS）：
在應用中分清楚彼此靠近的傳感器的觸摸狀態非常重要，這也是電容式感應設計的潛在問題。FSS功能能幫助解決這個問題。如果MBR器件啟用這一功能，那么手指接觸多個按鈕時，只有首個感應到接觸的按鈕打開。這種功能也用在按鈕可能產生相反效果的應用中，比方說用兩個按鈕進行音量控制的界面。
2. 開關：
為了替代墻上開關這種機械按鈕，我們可在MBR器件中啟用開關功能。開關功能啟用后，每次觸摸按鈕，器件都會觸發對應按鈕的LED。
3. 按鈕自動復位：
該特性避免金屬物體靠近按鈕造成按鈕鎖死。按鈕在連續觸摸一定時間后被視為關閉，這就是按鈕自動復位。
4. 加電自檢（POST）：
電容式感應應用開發的一大目標就是通過電容式傳感器提高設備在苛刻或敏感型工作環境下的可靠性。前面板的可靠性可通過不同方法改進，包括提高信噪比（SNR），采用EMI抗干擾和ESD保護特性，以及提高電源瞬變和輸出瞬變的抗干擾能力等。此外，還必須注意避免固件的不當工作模式。類似的軟件技巧包括應用編程接口（API）采用不同的正/負噪聲閾值和去抖動計數器等。還有一項預防措施就是在運行時檢測電容式感應測量錯誤。這些錯誤包括：
● 按鈕短接到VDD
● 按鈕短接接地
● 按鈕間短接
● 按鈕斷連
● Σ-Δ調制器外部組件故障，如：
o 調制電容（Cmod）
o 放電電阻（Rb）
這些診斷方法用于為電容式感應設備提供故障防護功能，避免按鈕故障產生安全問題。白色家電、汽車和工業電子應用等都需要按鈕故障診斷技術，以確保安全工作。
內置的加電自檢機制可在每次MBR器件復位后進行，以診斷按鈕故障。如果按鈕發生故障，可通過通信接口（I2C）給主機發送信息，而如果有與按鈕對應的LED，則會在加電自檢后閃爍一次，表示有故障發生。
5. 抗噪性
MBR器件采用賽普拉斯SmartSense自動精調等智能算法，在容易受到輻射的環境中提供較高的抗噪性。這種器件還采用高級的軟件濾波器來進一步降低噪聲。
6. 自動閾值
MBR器件能根據環境中的噪聲進行調節，自動設置ON/OFF閾值，從而在高噪聲環境中實現穩健可靠的性能。與此同時，開發人員也能根據UI的硬件/機械構造重寫算法設置的閾值并設置定制閾值。
7. 靈敏度控制
靈敏度用于表示按鈕對手指觸摸的敏感程度，這是在按鈕上器件能檢測到并以此報告按鈕為“ON”的最小手指電容。最小手指電容因外覆層的厚度、按鈕大小、按鈕與器件之間的距離等不同而不同。MBR器件提供多種不同的靈敏度設置。根據外覆層厚度等系統參數，開發商能決定哪種靈敏度最佳。
8. 低功耗睡眠模式和深度睡眠模式
現在許多MBR器件設計用于電池供電的應用。比如，掃描按鈕上手指觸摸的頻率決定著設備的總功耗。對低功耗應用來說，開發人員要降低掃描頻率，從而降低設備的平均功耗。就電視機/顯示器等MBR功耗并不很重要的應用而言，可保持較高的按鈕掃描頻率，從而確保極快的手指觸摸響應時間。
9. 響應時間：
您或許發現，觸摸電視機/顯示器上的電源按鈕要比其它按鈕稍長的時間才能開啟電源開關。這是為了將電源開關與其它按鈕區別開，并確保電源開關不會被無意打開。MBR器件提供的這種功能也是可配置選項。用戶能設置手指觸摸按鈕多長時間才能讓按鈕打開。
MBR器件帶來的增值：
1. LED打開時間：
用戶松開按鈕（手指從按鈕移開）時，相應的LED關閉。不過，一些應用需要LED在手指松開后經過一定的延遲再關閉，讓人眼可以分別出變化。MBR器件提供的這種延遲也是可配置選項。
2. LED調光：
LED亮度能夠調控以符合環境光條件。MBR器件提供的LED亮度控制也是可配置選項，這樣開發人員就能根據環境條件來設定亮度。實現的方法就是用不同占空比的PWM來驅動LED，這也有助于降低系統的整體功耗。
3. LED明暗漸變：
UI設計的美觀效果可通過觸摸相應按鈕讓LED漸明漸暗得到提高。MBR器件使得我們能非常方便地實現明暗漸變。開發人員能設置一定亮度讓LED漸明漸暗，也能設置漸明漸暗的頻率。
4. 蜂鳴器：
MBR器件通過驅動蜂鳴器綁定引腳上的信號支持音頻反饋。音頻反饋參數也可配置。蜂鳴器驅動的時間長度以及引腳上驅動的電子信號頻率都能控制。
5. 模擬電壓輸出：
按鈕觸摸的另一種反饋就是為每次按鈕觸摸提供不同的模擬電壓輸出。MBR器件也能提供這種反饋。
6. LED在待機模式下的亮度：
在UI中，如果環境光線較弱，可能無法看見按鈕，這時我們可在低亮度情況下至始至終開啟背光LED，以照亮UI中的按鈕。開發人員能選擇所需的亮度。
7. 主機控制的GPO：
MBR器件除了提供按鈕和響應的反饋外還提供一些GPO，主機能通過通信接口發出命令以控制GPO的邏輯狀態，這就使得主機能讓GPO進行按鈕觸摸反饋，也可將其用于其他目的。
我們了解了MBR器件如何解決某些具體問題，也了解了MBR器件帶來的好處。在第四部分中，我們將討論有助于利用MBR器件開展系統設計的一些工具。
工具箱
設計出恰當的電容式傳感器布局同時保持最終系統信噪比達到5:1，這并非一件簡單容易的事情。如果采用MBR器件，開發人員又無法控制器件的每個參數，情況就會進一步復雜化。MBR器件的主要作用之一就是縮短設計時間。但是，讓電容式感應設計實現適當的布局、適當的機械設計，這不應該成為瓶頸。所以除了MBR器件之外，最好還能獲得一些工具，幫助設計人員開展設計工作，幫助推進每一步設計工作。工具箱還能幫助設計人員驗證每個階段的設計，確保排除設計中所有可能的錯誤。
圖8：MBR設計流程
第一階段：
最終確定布局之前應考慮的一個關鍵因素就是按鈕尺寸。按鈕太小會降低SNR，導致按鈕對觸摸的靈敏度降低。如果按鈕較大，SNR倒是能超過5:1，但按鈕會對觸摸過于敏感，稍微碰一下按鈕就會觸發，這也不是一件好事。設計工具箱應有助于我們設置最佳按鈕尺寸。按鈕尺寸取決于外覆層材料和外覆層厚度，而工具箱應能根據外覆層的屬性提出最佳按鈕大小建議。工具箱還應讓開發人員定義系統噪聲，并根據噪聲建議按鈕尺寸。該工具箱也能考慮輸入等系統屬性，根據系統支持的最大的寄生電容，建議設計的最大跡線長度和按鈕尺寸。
第二階段：
一旦根據第一階段的建議完成布局，開發人員就應在進入PCB設計之前借助工具箱驗證設計。利用工具箱可計算出實際寄生電容，以此提醒開發人員按鈕的寄生電容是否超出了工作范圍。
功耗優化是大多數設計的另一大關鍵要求。這里，工具箱可根據器件參數估算器件功耗，這能幫助設計人員調節參數，根據需要降低功耗。
第三階段：
根據第二階段建議提出的設計藍圖轉化為最初的原型設計。一旦構建出原型開發板，我們就可借助工具箱驗證該開發板是否適合量產。如果設計還不適合投產，那么工具箱可提出建議，明確設計還需要什么規范。根據工具箱建議的修改，開發人員可能需要重制該開發板，也可能無需重制只需修改MBR參數即可。這樣，工具箱就發揮了重大作用，有助于避免代價高昂的設計錯誤。
配置寄存器可配置器件：
如前所述，必須寫入MBR器件寄存器以配置器件。直接用I2C通信來配置器件寄存器是一項繁雜的工作。為了便于配置，通常采用如下兩種方法：
1. 應用編程接口（API）：
應用編程接口（API）是一個用于連接軟件組件，讓其彼此通信的接口協議，MBR器件廠商會直接提供API，這些API也包含在主機固件中，因此主機就能配置MBR器件，且無需開發人員學習了解應用層協議如何進行器件配置。
電容式感應廠商提供的API分為高級API和低級API。
高級API又分為三大類：
a. 配置器件
b. 回讀系統診斷和生產線數據
c. 在運行時回讀傳感器狀態等數據
這種API可在MBR設計過程中的不同階段中采用。
低級API通常為通信（l2C）接口讀寫API。低級API可能需要根據所用主機處理器而更改。通常情況下，大多數廠商都針對每個特定的主機處理器提供低級API。
2、GUI和批量編程：
簡化開發人員配置MBR器件工作的另一種方法就是用基于GUI的界面定義設置。這比用API手動配置MBR簡單得多。賽普拉斯提供了一種簡單而具有革命性創新的工具（EZ-Click定制器）。這種GUI的功能非常強大，能加速多個不同設計階段的設計工作。通常說來，這種GUI均提供有“配置器件”和“從器件讀取數據”等選項。
為了區別不同的設計階段，GUI可為主機和MBR器件之間傳輸的不同數據類型設置不同的標簽。典型的分類如下：
1. 配置標簽
2. 調試標簽
3. 生產線測試標簽
在設計驗證階段采用配置標簽表示配置完成，GUI載入設置到原型電路板上。調試標簽隨后發揮作用，檢查設計是否滿足所有要求，電容式感應是否正常工作。如果原型設計無法工作，那么調試標簽可用來進行調試并查找問題所在。
一旦原型設計正常工作，設計就完成了，則可用GUI生成配置文件。量產期間把GUI生成的配置加載到每個MBR器件中可能是個相當繁瑣的工作，這可以由具有資質的編程機構利用配置文件輕松配置上百萬的器件。
器件配置完成后，可在生產線測試中采用生產線測試標簽，讀出SNR等數據用以檢測傳感器是否達標。 |
