摘要：
最近在家电超市琳琅满目的商品中，有一类产品前总是围绕着许多绕有兴致的顾客，他们不停的用手指轻触电器平平的面板，那光滑的表面不见突起的按键，可是机器却准确地按照指令运行着……
是什么让他们着迷？又是什么技术在实现着这一切？
下面的文章我们就来探讨……
中国是白色家电生产和消费大国，纵观近几年的白色家电市场，不同的子行业表现迥异，自主创新成为各厂家的突破口，CapSense技术就是制胜法宝之一，本文将对这种新型的技术进行介绍。
CapSense技术
CapSense技术就是利用电容感应的原理来判断手指或其他导体的存在与否，这是由Cypress PSoC实现的。这种新型的方式可以替代机械按键，机械滑条，薄膜键盘等等。电容感应典型的应用有按键、滑条、触摸板、触摸屏、接近式感应等等，Sensor可以是PCB上的铜箔。电容感应原理是PCB板上相邻的导线或铜箔之间存在寄生电容，可以称它Cp ， Cp大小同时和覆盖物种类有关，当有手指接近或触摸铜箔时，相当于附加了两个电容并联在Cp上，通过检测电容的变化就可以确定是否有手指存在，这就是电容感应的基本原理。
CapSense实现方式有两种，CSA和CSD。CSA就是逐次逼近电容感应（CapSense Successive Approximation）的简称，CSD就是Sigma-Delta调制电容感应（CapSense Sigma-Delta Sigma Delta）的简称。
CapSense在白色家电中的应用
电容感应方式（CapSense）有很多优点，非常适用于白色家电。白色家电属于家庭用品，美观和性能是第一需求，此外还有防水、抗干扰等许多要求，对此，CapSense都能一一满足。另外，白色家电还需要很多其他的控制，比如LCD控制、马达控制、温度控制、水位控制等，Cypress PSoC可以实现上述全部需求。下面逐个介绍PSoC CapSense如何实现这些需求。
美观和性能
把触摸按键和传统的机械按键做一下比较可以发现，触摸按键更加时尚美观；不需要额外的按键，因而可以节省空间；再者，使用Cypress PSoC除了可以控制触摸按键外，还可以实现其他功能，从而总体成本较低；使用触摸按键，假如不破坏PCB，按键就不会破坏，从而保证更长的使用寿命；在白色家电关心的防水性能上，触摸按键也凸显优势。下表对这两种按键进行了比较：
目前被广泛采用的触摸按键/触摸屏主要有两种关键技术，分别为电阻式与电容式，电容式感应技术由于具有耐用、易于低成本实现等特点，从而逐渐成为触摸控制的首选技术。我们 来比较一下这两种触摸技术，首先，电容触摸屏只需要触摸，而不需要压力来产生信号；而且电容触摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正，而电阻技术需要常规的校正，这主要是因为ITO材料暴露在空气或空气隔层里会造成电阻的变化；电容方案的寿命也会长些，因为电容触摸屏中的部件不需要作任何移动；电阻触摸屏中，上层的薄膜需要足够薄才能有弹性，以便向下弯曲接触到下面的薄膜，所以易损伤。下表对这两种技术作了对比。
防水设计
在白色家电产品中，防水设计是关键，我们以Cypress PSoC为例介绍一下如何实现防水效果。
图1以3个sensor为例描述了按键的防水设计，可以设计成Sensor板和PCB板分开，这样Sensor板可以更好的区分不同的状况，比如板子上是否出现水珠。
图1 （略）
图2 Sensor板的设计，板中央有三个触摸按键，周围有两圈保护电极（Shield Electrode）和一圈防护Sensor(Guard Sensor)。内圈的保护电极用来防止触摸按键对水滴的误判，防护Sensor用来判断水流的存在与否，外圈保护电极可以避免保护Sensor对水滴的误判。
图2 Sensor板（略）
抗干扰设计
抗干扰设计也是白色家电考虑重点之一，来看看 Cypress PSoC是如何完成的。
在CSA设计中，抗干扰能力体现在两个方面，其一，采用了开关电容电路，它和外部调制电容组成了低阻通路，感应电容上的噪声由于低阻通路的原因,在到达调制器之前已得到了很大的衰减。另外，CSA方式分为三个阶段，阶段1感应电容连接内部模拟总线，完成初始化的工作，通过开关电容使Cmod恢复到起始电压VStart；阶段2为扫描阶段，此时开关电路部分断开，由恒流源给Cmod充电，计数器开始计数，一直到Cmod电压达到比较器参考电压，发生翻转，计数结束；阶段3，扫描结束，Firmware处理计数器数据。这三个阶段结束就完成了一次扫描，然后会进入下一次扫描。感应电容Cx只有在阶段1连接内部总线，在真正的测量计数阶段，阶段2和3都是断开的，那么Cx上的噪声就不会影响到计数，所以抗干扰能力大大提高了。
图3 CSA结构图（略）
CSD在抗干扰方面也做了专门的设计，对各种噪声和静电干扰都有显著提高。首先，和CSA相同，开关电路可以和 外部调制电容组成低阻通路，感应电容上的噪声由于低阻通路的原因，在到达调制器之前已得到了很大的衰减；中频噪声的频率范围覆盖了PSoC的工作频率范围，因此当噪声的频率或谐波分量与开关电容模块的频率相同时，就会导致调制器的充电电流发生变化，从而使得计数器数据发生变化。CSD采用伪随机序列发生器控制开关1和2的切换，从而可以有良好的抗中频噪声性能；超高频噪声可以通过在每个Sensor的I/O口串联一个电阻和并联一个电容进行衰减；ESD会导致PSOC的GPIO的保护二极管瞬间导通，从而使得计数器值会有来回波动，在目前CSD方案中，可以用Firmware来减小或消除静电干扰。
图4 CSD结构图（略）
CapSense Plus
CapSense Plus指除CapSense以外，PSoC还可以实现很多其他功能，比如：LED 驱动，SPI M/S，I 2 C M/S，LCD背光，马达控制，温度控制，水位控制，电源管理，扬声器/ 蜂鸣器控制，充电器，压力/电流传感器 ，DTMF 拨号器等等。其中LCD背光，马达控制，温度控制，水位控制，扬声器/蜂鸣器控制等是在白色家电中常用的，图5为Capsense Plus简单结构：
图5 (略)
要实现CapSense Plus，系统里就需要用到PSoC其他功能，比如：TX，I 2 C，PWM，ADC，LED 驱动，Timer，Counter等等，而CSD 尤其是21系列，CSD本身已经占用了大部分资源：VC1， VC2， VC3；两列（3个）模拟模块；三个数字模块。如图6所示。
图6 （略）
我们遇到的问题是没有额外的资源做其他控制，解决方法是可以使用动态重配置(Dynamic Reconfiguration)，动态重配置指相同的资源在不同的时间可以重复利用，使资源利用率大于100%，有效的节约了系统资源。使用动态重配置可以通过一颗PSoC芯片完成CapSense以及CapSense以外的功能，实现了PSoC内部多种配置在系统运行过程中加载和卸载。下面介绍一下动态重配置的使用
动态重配置实现方法(使用PSoC Designer）
1.可以在Device Editor下建立动态重配置:Config >> Loadable Configuration >> New或直接点击图形界面，如下图所示
图（略）
2 .Device Editor会显示各个配置，如要切换配置只需点击所需配置或者使用下拉菜单
图（略）
3.完成每个配置要完成的功能,剩下的工作和普通的设计相同
动态重配置API
必须手动添加PSoCDynamic.h 到 main.c，Load_Config API 会加载所需配置，Unload_Config API 会卸载不用配置，启动时会加载基本配置。
动态重配置注意事项
使用动态重配置有一些事项需要注意。首先说明一点，基本配置是指默认或初始配置。
1.基本配置变化则所有配置都会发生变化
例如：在基本配置中变化P0[0]为Strong模式，那么所有配置中P0[0] 都保持Strong模式
2.动态配置（例如Overlay1）相当于附加于基本配置
3 .改变某个动态配置不会影响其他的配置
4 .基本配置应该尽可能为初始配置
5 .确保各个配置资源不会发生冲突
6 .某些资源可能需要一直处于活动状态，尤其是输出
a)例如： PWMs
b)PWM中断可能会导致脉冲干扰(glitches)
c)假如需要PWM连续工作，那么PWM用户模块必须放在基本配置
7.在基本配置中用户模块用到的资源在其他配置中是不能改变的，例如：
a)时钟
b)引脚驱动模式
8.基本配置和动态配置不能共享下列资源
a)Row Outputs（Row输出）
b)Global Output Busses（全局输出总线）
c)Output Pins（输出引脚）
9.在基本配置中，用户模块布线时不会影响到动态配置
10.可以把基本配置中用户模块布线同时布到动态配置中，这样可以防止走线冲突
CapSense在各种家电产品的成功案例
CapSense已经广泛应用在各种家电产品中，下面看一下几个主要案例中PSoC的作用。
洗衣机
触摸按键；触摸滑条；与主MCU通过GPIO或I 2 C通讯；LED驱动；防水设计。
冰箱/立式空调/热水器
触摸按键
电茶壶/咖啡炉
除了触摸按键以外，PSoC可以测量和控制温度，并通过LCD显示水温和水量，PSoC还可控制阀门和马达，这些都是由一颗PSoC完成的，使用的主要用户模块是CSD、Timer和ADC等。
电磁炉
具备接近式感应，当探测到近距离的导体时开启背景灯，进入工作状态；CapSense按钮可以控制菜单；CapSense滑条可以控制火力/温度/时间等等；可以通过LCD显示厂家Logo；还可以防水。
结语
PSoC 不仅支持CapSense 完成了上述完美功能，而且为我们实现新世代的卓越创意提供了平台。 |
