控制器選擇是設(shè)計(jì)過程中非常重要的一環(huán)。市場上目前有眾多控制器,每種都有其特殊的能力和特性。適合電容傳感的控制器應(yīng)在芯片中內(nèi)置一個(gè)良好的模擬電路,以實(shí)現(xiàn)較高的SNR(信噪比 ),維持性能和精度。此外,還建議控制器支持信號(hào)調(diào)節(jié)功能,因?yàn)樘幚黼娙菪盘?hào)(尤其是在那些多點(diǎn)觸摸應(yīng)用中)需要進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)節(jié)。增加用于信號(hào)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器、緩存器或轉(zhuǎn)換器等額外硬件通常不是什么好主意,因?yàn)檫@些組件可能會(huì)增加路徑噪聲和損耗以及物料(BOM)成本。設(shè)計(jì)用于傳輸模擬數(shù)據(jù)的走線也需要特殊技能,因?yàn)樽呔€尺寸決定了信號(hào)強(qiáng)度,而后者與阻抗匹配成正比。
PSoC(可編程片上系統(tǒng))控制器內(nèi)置電容檢測感應(yīng)功能以及運(yùn)算放大器、互阻抗放大器(TIA)等信號(hào)調(diào)理電路,它們能讓工程師在不增加硬件的情況下將傳感器與控制器直接對(duì)接。
電容傳感技術(shù)對(duì)水和濕氣也很敏感。這有可能影響洗衣機(jī)、冰箱等應(yīng)具備防潮能力的應(yīng)用的性能和可靠性。水也有電容率,因此會(huì)增加電容值,影響電容觸摸效果。因此,電容感應(yīng)傳感器必須具備防水性,從而讓控制器具備防水功能。
很多消費(fèi)級(jí)系統(tǒng)都可以采用以下方式降低成本:使用一個(gè)性能較低的處理器,將模擬傳感器數(shù)據(jù)和電容測量結(jié)果傳輸至離線處理。目前,BLE傳輸技術(shù)通常被用于向安卓和iOS應(yīng)用傳輸數(shù)據(jù)。其它應(yīng)用可能需要使用WiFi、ZigBee或 WiMax等其它無線通信技術(shù)。一個(gè)支持無線功能的控制器可極大簡化設(shè)計(jì)。
調(diào)諧方法和固件功能
對(duì)于那些使用電容傳感技術(shù)的系統(tǒng)而言,模擬傳感器調(diào)諧是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)步驟。電容感應(yīng)的精度在很大程度上取決于環(huán)境的介電常數(shù),并受觸摸環(huán)境的影響。設(shè)備應(yīng)能在潮濕、低溫、高溫和風(fēng)雪環(huán)境中工作。這可以通過調(diào)節(jié)固件中的感應(yīng)sensor參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。調(diào)試可以是手動(dòng)或自動(dòng)(即由微處理器支持)。自動(dòng)調(diào)試技術(shù)避免了耗時(shí)、耗力的逐步調(diào)試傳感器的過程。手動(dòng)調(diào)試對(duì)于構(gòu)建數(shù)量較少的應(yīng)用較為方便,因?yàn)樗恍枰罅寇浖?,但需要關(guān)注很多因素,如SNR、材料的介電常數(shù)、覆蓋層的厚度、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等等。一個(gè)靈活的控制器應(yīng)支持自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)諧功能,從而便于量產(chǎn)和操作。
實(shí)現(xiàn)智能的信號(hào)處理算法還需要良好的固件功能??紤]到調(diào)試電容系統(tǒng)的復(fù)雜性,控制器必須得到一個(gè)綜合設(shè)計(jì)環(huán)境的支持。例如,PSoC Creator是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境,可讓設(shè)計(jì)人在不需要編寫復(fù)雜代碼的情況下,設(shè)計(jì)出具備復(fù)雜信號(hào)處理功能的電容傳感模塊。
覆蓋層及固定方法的選擇
覆蓋層不僅決定著終端產(chǎn)品的外觀,還決定了其感應(yīng)靈敏度。圖4顯示了采用電容傳感技術(shù)的系統(tǒng)中所使用的不同類型的覆蓋層,如木質(zhì)、丙烯酸和玻璃等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,所有這些覆蓋層均需要調(diào)試才能可靠工作。因?yàn)楣潭▎栴}而導(dǎo)致的覆蓋層識(shí)別等問題在消費(fèi)應(yīng)用中最常見。
電容值隨基板和電極之間的間隙而變化。如果覆蓋層固定不合理,不斷變化的間隙就可能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和精度。吸膠、磁力校準(zhǔn)和機(jī)械固定是消費(fèi)電子行業(yè)所采用的避免此類問題的一些標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。覆蓋層厚度是另一個(gè)重要參數(shù),因?yàn)楹穸扰c電容值和靈敏度成正比。從產(chǎn)品角度而言,覆蓋層的材料、工藝和外觀是重要參數(shù)。在消費(fèi)應(yīng)用中,量產(chǎn)一款基于覆蓋層的產(chǎn)品是一項(xiàng)設(shè)計(jì)和制造挑戰(zhàn)。
傳感器元件的布置和接地技術(shù)
通常而言,PCB的地平面應(yīng)整體均勻。這可以減低噪聲,因?yàn)樵肼暿蔷鶆蚍植嫉摹5@同時(shí)增加了寄生電容Cp,從而影響基于電容傳感技術(shù)的應(yīng)用。Cp是與傳感器走線相關(guān)的重要參數(shù)。隨著Cp的增加,布局的難度也將增加,因?yàn)楣こ處煴仨毟又?jǐn)慎,不引入其它寄生電容。這實(shí)際上降低了設(shè)計(jì)人員對(duì)布線設(shè)計(jì)的容忍度。
因此,應(yīng)為電容應(yīng)用選擇一個(gè)hash接地層,而不是均勻的地平面。傳感器感應(yīng)點(diǎn)沒有任何其它電信號(hào)走線或金屬器件。圖5顯示了這一原理。