电容触摸技术实用教程

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教程

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一 电容检测原理

• 电容模型
  手指的电容模型介绍。如下图，
  
    正常情况下Cx=sensor本身的电容和环境的寄生电容。当手指靠近/按下时，会增加个手指的电容到这个Cx，增大Cx的电容。
    通过检测Cx的容值，就可以获知是否触摸以及其他的信息。
    触摸芯片的优点就是可以将非常小的的电容变化检测出来，并量化为更容易处理的数据。

• 电容检测技术：电荷转移
  AZOTEQ采用的是电荷转移的技术实现。通过恒流源和开关的组合，结合计数器比较器来实现。简单的图示如下方所示。
  
  流程如下：
  1. S0闭合，S1打开，S2打开，恒流源给Cx充电，充满。
  2. S0打开，S1闭合，S2打开，Cx给Cs充电，充到Cx 电压与Cs相等。
  3. S0打开，S1打开，S2打开，比较基准源与Cs的电压，如果Cs电压大于基准源，则一次扫描完成，获得计数值，闭合S2，Cx放电到0V。
  4. 重复步骤1.

• 互电容和自电容
  电容的扫描原理分为互电容扫描和自电容扫描。

  自电容扫描
  简单来说，自电容扫描就是自发自收的一种扫描方式。芯片测量的电容是电极相对于地面的电容。对应到芯片引脚的话就是一个引脚对应一个触摸通道。手或手指的接近会增加测量电容。
  
  互电容扫描
  芯片测量的电容是两个电极之间电容。每两个RX,TX之间的关系对应一个触摸通道。手或手指的接近会减少测量电容。
  

二 芯片内部重要名词解释

　下面给出一张图，结合图示来解释。这是一张互电容IQS360的上位机演示图。　
　
　1. LTA:长期平均值，通过长期采样COUNT平均滤波得到的数值，可以代表当前环境。
　2. COUNT:实时采样值，就是前面电容原理中的计数值。和LTA做差得到差值，如果超过门限值，则判断触发对应功能。
　3. Thresholds：门限，有触摸门限和接近门限，用于选择对应的灵敏度，数值设置的越小，越灵敏，可以看到第5个通道变红判定已触发，因为，变化量超过了设定的门限（24=400×6%）。通道0接近感应也已经触发，因为变化量大于接近门限。
　4. Target:目标值。这是通过软件设定的一个值，用于控制采样目标值（对应的是COUNT的高度）。包括接近感应通道和触摸通道分别有各自的一个目标值。可以看到图中，接近感应通道的高度为800，触摸通道的高度为400。
　5. ATI：自动调谐技术。芯片可以通过调节自身的电容以达到最优的灵敏度。事实上就是执行一次Re-ATI以后芯片会修改每个通道的Compensation和Multiplier两个寄存器的值,使count的值达到Target的范围。
　6. LP:通过间隔时间扫描接近感应通道的方式，实现低功耗。LP 设置越长，功耗越低，响应的触发反应时间会变长。如下图所示。
　
 接近触发后，会自动进入Boost模式。进行全速扫描。
 

　7. Halt time:在触摸按键触发时LTA是不学习的。Halt time指触摸按键触发时锁定要LTA的时间。当触发的时间超过设定的Halt time，对应的触摸按键通道会复位。如这个设置Halt time为20秒，当按下某个按键超过20秒的话，就会复位。
　8. Event Mode：在配置为事件模式后，只有在对应的事件触发的时候才会需要通信，可以节省主机的消耗。
　9. ATI_Partial：使能该位后，可以人为指定Multiplier这个寄存器的内容。执行ATI功能时只自动调节Compensation寄存器。一般用于快速初始化。

三 OTP芯片介绍：iqs227

　OTP是One Time Programmable ，也就是一次编程的意思。简单来说就是寄存器中所有的位都只能烧一次，默认值都是零，烧成一以后不能恢复。这一点在研发调试的时候要特别注意。
　下面针对iqs227这个典型的OTP芯片进行介绍。这个芯片非常的简单，只有一个通道。OTP能够配置的的信息如下图所示。

t9.png

　很多信息在第三章已经提到过就不再重复。

• OUT Logic Select:输出逻辑的选择。默认是active low，常态高电平动态低电平，这个输出引脚实际上是开漏的需要接上拉电阻。可以选择为active high，是设置为推挽输出，常态低电平动态高电平。

• Touch Function:触摸感应通道的输出方式，可以使直接输出或者是翻转输出。
  

• Proximity Function：接近感应通道的输出方式,可以是直接输出或者是锁存输出。大概意思就是选择锁存输出以后，接近感应消失以后还有一定的延时时间输出。备注:常态高电平触发低电平。如下图所示。
  

• Nosie Detect:噪声检测。需要在TOUT的引脚上接一根外部天线来检测对应频率上的干扰。在环境极其恶劣的情况下才会使用我们并不推荐。

• Charge Transfer Frequency：充放电频率的选择，可以是512Khz和250Khz。一般也不推荐修改。

• Streaming:流模式使能。那么芯片就不是直接输出的引脚功能了，而是采用通讯的方式来上报触摸信息触摸信息。一般在调试的时候才会选择这个功能，来确认触摸环境信息。

• Streaming Method：可以选择一线制或者IIC通讯。
  

四 触摸专用芯片介绍：iqs263

　　IQS263是3通道的触摸芯片，支持互电容扫描和自电容扫描，两种工作方式，我们一般推荐用自电容。有移动检测的功能。芯片硬件可以计算出一个精度为0-255的滑条。基于滑条可以做一些点击滑动的手势判断。是目前3通道芯片里面功能最好的芯片。

• 通用原理图
  如下图，其中，通信线为RDY,SDA,SCL,都需要接上拉电阻。RDY是通讯使能脚，当RDY为低电平时才支持通信。上电RDY引脚为方波。
  

• 硬件滑条
   支持2/3键滑条，3键圆环滑条，需要相应的PCB硬件图案支持。一般选择为 2/3 通道自电容滑条的多。
    芯片提供可配置的原始值滤波器，角度滤波，和 debunce 的功能。
  
  
  

• 事件模式
  

  • 事件模式下，只有设定的事件发生，RDY 才会拉低，通知主控来读取信息。最多支持 8 个事件。
    Flick Left:左滑手势事件。
    Flick Right:右滑手势事件。
    Tap:点击手势事件。
    Movement:移动检测事件。
    ATI:ATI相关事件。
    Slide:坐标值事件。
    Touch:触摸事件。
    Prox:接近感应事件。
    滑动手势事件：手指点击滑条，并移动一段距离并且离开。当接触的时间和移动的距离符合相应要求的时候可以触发。
    点击手势事件：手机点击滑条，并且离开。当接触的时间和移动的距离符合相应要求的时候可以触发。
    移动检测事件：当采样值的变化超过一定斜率，并且使能移动检测功能，可以触发。
    ATI相关事件：ATI完成/ATI error可以触发。本条待定。
    坐标值事件：当滑条值更新时触发。
    触摸事件：当滑触摸状态更新时触发。如某个按键按下或者弹起。
    接近感应事件：当滑接近感应状态更新时触发。
    注：一般默认配置 Bit7|Bit6|Bit5|Bit2|Bit1

  • 事件模式下复位处理

    配置完成，进入事件模式后，RDY 常高。一旦出现主机复位，触摸板没有复位的情况，主机再次进行初始化，会发现触摸板无法通讯，必须等到 RDY 拉低才能继续通信。
    解决: 提供函数 i2c_event_mode_handshake(void)，通过主机强制拉低 RDY，再释放。触摸 IC会响应，触摸 IC 端会主动拉低一次 RDY，主机进行配置，将事件模式取消（RDY 恢复为方波）。待所有配置都完成，再配置为事件模式，结束通讯。

五 触摸板芯片介绍：iqs525

　　IQS525是一颗互电容触摸板芯片，至多可以做8 * 9的通道数，分辨率可以达到1792*2048。支持多点最多到5点。

• 通用原理图
  其中，通信线为RDY,SDA,SCL。SDA,SCL需要接上拉电阻。RDY是通讯使能脚，当RDY为高电平时才支持通信。上电RDY引脚为方波。
  
  

• 工作模式
  Normal Mode ：正常扫描触摸板。开启一条Tx，然后扫描所有的Rx，然后切换下一条Tx，循环。在该模式下可以计算坐标值。
  ProxMode：是在扫描天线的模式。根据配置可以是自电容和互电容原理的天线。天线的灵敏度会比正常的触摸模式要好得多。当然硬件要符合设计规则。一般推荐单独的一个Rx做天线围绕板边一圈，然后所有的Tx都打开。这里配置的时候是可以选择用做接近感应功能的Tx和Rx。如下图所示。
  
  Automatic Mode：当该位置位的时候，在没有触摸的时候是在ProxMode。当ProxMode模式触发以后自动切换进入Normal Mode。当没有置位的时候，根据模式的选择一直处于某种模式扫描。
  Low Power：低功耗的时候就是降低扫描的频率。以上3种情况当进入低功耗的时候都会降低扫描的频率。等触发后自动进入全速模式。
  Event Mode：当时是事件模式置位的时候，只有在事件（接近/触摸）触发的时候才会上报信息。这个IQS263的要简单一些，没有那么多类型的事件。

六 硬件layout

　请参考文档LSD 触摸Layout指南

七 触摸板的手势应用处理

• 本章节主要介绍基于单指的触摸手势处理框架，实现一些手势的判断。
  状态分析，横轴为时间轴。所有的触摸手势都符合下面的图示，在没有触摸的情况下，手指触摸触摸板，然后手指离开。
  
  据此可以得到4个触摸状态。

  1. Null

  2. Down

  3. Press

  4. Up

　　针对这4种状态的具体情况可以做不同的处理。
　　*　在Null的时候可以做一些状态清零。
　　*　在Down的时候可以做一些数据记录。
　　*　在Press的时候可以做一些手势判断、状态更新。
　　*　在Up的时候可以做一些手势判断和状态清零。

八 常见问题和解决办法

• 硬件的性能是至关重要的，好硬件的触摸是很少会出问题的。需要从设计端直接避免出现不良的因素。

  • 面壳贴合不稳定问题：容易导致触摸误触发或不灵敏，建议用双面胶完全固定好再进行上电调试。

  • 面壳贴和有间隙影响灵敏度：空气间隙对灵敏度影响很大，必须完全贴和。

  • IIC通讯问题：强调必须RDY使能后，芯片才支持IIC通讯。并且建议客户用逻辑分析仪抓下完整波形，我们直接支持分析波形问题。

  • 硬件问题：检查上电RDY引脚是否为方波。借出CT210工具，查看硬件完整参数。

  • IQS227AS静电大电流问题，在VCC端串联100欧姆电阻可以解决。

  • 在灵敏度到接近极限的范围，可能出现触摸变化在门限附近抖动的情况，导致输出不稳定。一般采用双门限的方式处理，即当触发一个门限后，将该门限降低一定比率，防止触摸抖动影响到输出，完全释放后则恢复门限；也可以采用迟滞的方式处理，多做几次判断累计次数，达到一定次数后才做输出。

  • 电池供电的触摸，触摸触摸区域可以触发按键，触摸电池也可以触发按键。建议是，将电池和触摸按键的分布在一起，避免分布在2个远端。
    

  • 电池供电不考虑做接近感应。其实不推荐做接近感应。

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