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引言 紅外（IR）接近傳感器目前被廣泛的應(yīng)用于智能手機中來防止通話時用戶臉部造成的觸摸屏誤觸，同時降低功耗。IR傳感器具有探測距離遠，反映速度快等優(yōu)點，但是其昂貴的成本和復(fù)雜苛刻的裝配要求，促使手機廠商尋求成本更低、結(jié)構(gòu)簡單的方案。電容式接近感應(yīng)在白色家電、智能家居等領(lǐng)域的普及，為手機接近感應(yīng)方案提供了一種有效的思路。本文提出了一種基于電容變化的手機接近感應(yīng)方案，給出了具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計和控制要點。此方案已經(jīng)成功地應(yīng)用到知名品牌的手機產(chǎn)品中，取得了很好的效果。 一 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 電容式接近傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制器通過電極檢測物體靠近手機時引起的電容值變化，一旦電容值變化超過控制器程序中設(shè)定的閾值，控制器便會向手機處理器發(fā)出中斷信號， 如果此時手機正處于通話模式，主機將關(guān)閉LCD顯示和觸摸屏等部件，實現(xiàn)降低功耗和避免誤觸等目的。 圖1 電容式接近傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 電極負責(zé)探測電容變化，其設(shè)計質(zhì)量很大程序上決定了系統(tǒng)的整體性能。電極本質(zhì)上就是一塊平面導(dǎo)體，可以是FPC上的一塊銅皮，也可以是電容觸摸屏上的一塊ITO薄膜。 圖2給出的ITO薄膜電極的設(shè)計示例。電極的尺寸直接影響接近感應(yīng)的探測距離。在其他設(shè)計不變時，探測距離隨電極尺寸的增大而增大。電極在外形上要盡量圓滑，避免出現(xiàn)直角或者銳角，而且電極要盡量完整。在手機應(yīng)用中，電極通常采用矩形來最大化感應(yīng)面積，此時需要注意圓弧化電極的拐角。電極應(yīng)該放在FPC或者ITO薄膜貼近觸摸屏的一側(cè)，而且背面的另一側(cè)通常需要騰空。電極背面對應(yīng)的手機前殼區(qū)域應(yīng)當避免有大面積的金屬，否則會影響探測距離。電極周邊需要鋪設(shè)地線來增強電容基準，屏蔽噪聲，并且提高感應(yīng)方向的直線性。電極和地線的間距建議為0.5mm到1mm, 地線的寬度根據(jù)具體情況而定，建議不小于1mm。電極到芯片的引線應(yīng)該盡量短且細，以減少寄生電容和耦合噪聲。 圖2 ITO薄膜電極設(shè)計圖 影響系統(tǒng)性能的另一個主要因素是控制器。我們選用了賽普拉斯（Cypress）公司具有全新Quitezone技術(shù)的可編程CapSense控制器CY8C20055。 Quitezone技術(shù)提供了無與倫比的抗輻射和傳導(dǎo)噪聲的能力，并且具有超低功耗，很適合在手機等移動終端中使用。該技術(shù)還實現(xiàn)了業(yè)界最佳的信噪比(SNR)，在高噪聲的環(huán)境中也可以通過Cypress已獲專利的CapSense Sigma-Delta (CSD) Plus算法實現(xiàn)低至0.1pF的電容變化檢測，非常適合應(yīng)用于接近感應(yīng)。另外，CY8C20055采用SmartSense自動調(diào)教技術(shù)，可以實時動態(tài)補償運行時的環(huán)境變化，從而保證性能的穩(wěn)定性和通道之間的一致性。 二 硬件電路 本文設(shè)計的電容式接近感應(yīng)的電路圖如圖3所示。CY8C20055的外圍電路很簡單，最小配置只需要2個電容 — 調(diào)制電容C1和去耦電容C2。 圖3 電容接近感應(yīng)電路圖 在此電路中，芯片的PIN 3連接到電極來采集電容信號，推薦在連線靠近芯片處串聯(lián)一個典型值為560歐姆的電阻，來抑制RF噪聲。手機等移動產(chǎn)品都需要通過嚴格的ESD測試，由于電極的位置在手機上部，距離手機邊緣、聽筒、耳機插孔等很近（圖2），而且電極面積相對較大，ESD電弧很容易在經(jīng)過這些開孔或者縫隙進入手機后耦合到電極上，對芯片管腳施加較大的電沖擊，存在損壞管腳的風(fēng)險。本設(shè)計在靠近芯片一側(cè)添加了TVS之類的ESD防護元件來保護芯片，需要注意的是所選TVS器件的自身電容不能太大。CY8C20055提供I2C或者SPI接口與主機進行通訊。本設(shè)計中，主機可以通過I2C總線來配置感應(yīng)參數(shù)、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉或喚醒芯片等等，也可以進行芯片程序（Firmware）的在線升級。 在PCB或者FPC布局時，調(diào)制電容和去耦電容需要盡量貼近芯片管腳。在走線時，主要注意避免電極引線和I2C信號線、電源線平行，如果無法避免，應(yīng)該在走線中間加入地線作為隔離。 三 控制器內(nèi)部邏輯 本文的電容式智能手機接近感應(yīng)方案是電容檢測技術(shù)在賽普拉斯PSoC（Programmable System on Chip）平臺上的新型應(yīng)用。PSoC技術(shù)是在一個MCU內(nèi)核周圍集成了可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列，利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字塊資源，達到可編程片上系統(tǒng)的目的。一個PSoC器件最多可集成上百種外設(shè)功能，從而幫助客戶節(jié)約設(shè)計時間和板上面積，降低了功耗和系統(tǒng)成本。 整個系統(tǒng)的工作過程如圖4所示。程序控制CSD模塊對電容信號進行采樣和ADC轉(zhuǎn)換，然后通過數(shù)字濾波器對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行過濾和處理，同時由內(nèi)部狀態(tài)機判斷輸出接近感應(yīng)的狀態(tài)，由中斷信號或者I2C/SPI接口通知手機處理器。下面來介紹一下整個系統(tǒng)主要模塊的功能。 圖4 電容式接近感應(yīng)PSoC系統(tǒng)的工作過程 ★CSD模塊 CSD是指CapSense Sigma-Delta調(diào)制電容感應(yīng)。圖5顯示了CSD的原理框圖。 圖5 CSD原理框圖 開關(guān)電容在Ph1和Ph2相位的時候分別接到Vdd和VA，所以我們可以把它看作一個等效電阻，等效電阻Req通過Vdd對調(diào)制電容Cmod進行充電。當Cmod的電壓達到比較器的參考電壓Vref時，比較器觸發(fā)放電電阻Rb對調(diào)制電容放電。當調(diào)制電容上的電壓下降到Vref以下時，放電電阻Rb被斷開，此時繼續(xù)對調(diào)制電容進行充電。如此循環(huán)充放電使得調(diào)制電容上的電壓抑制在比較器參考電壓Vref附近上下浮動。同時比較器會輸出一組比特流，這組比特流與PWM相與之后便可得到傳感電容的大小，如圖6所示。 圖6 輸出比特流 傳感電容的增加會使得等效電阻降低，充電電流增加，這樣就會使充電時間縮短。充電時間的縮短會使占空比提升，如圖7所示。 圖7 有接近感應(yīng)時占空比的變化 ★數(shù)字濾波 接近感應(yīng)要求控制器能夠檢測到穩(wěn)定的小信號來提高探測距離，因此控制器需要設(shè)置足夠長的采樣周期來提高信號幅度，同時也需要設(shè)置較低的觸發(fā)閾值來提高靈敏度。靈敏度的提高意味著系統(tǒng)更容易受到噪聲的干擾。因此，為了提高整個系統(tǒng)的信噪比，本文對原始信號依次使用了三種有效的軟件濾波方法：中值濾波、均值濾波和IIR數(shù)字濾波，來濾除噪聲。 1.中值濾波器 對于瞬間出現(xiàn)的單點或連續(xù)幾點的噪聲，中值濾波器可以很好的進行過濾。圖8為一個三階的中值濾波器。可以看出P3點會在采樣后，被中值濾波器濾掉。在接近感應(yīng)的實際應(yīng)用中，由于采樣速率較快往往會出現(xiàn)這樣的噪點，中值濾波器可以很好的進行過濾，同時中值濾波器的輸出信號也會使得后面的均值濾波器以及IIR數(shù)字濾波器的輸入信號更加穩(wěn)定。普通的n階中值濾波器的時間復(fù)雜度約等于n*n，所以其階數(shù)不宜過高，應(yīng)根據(jù)實際的噪聲情況進行合理選擇。 圖8 三階中值濾波器 圖9對比了實際采集的電容變化信號在使用中值濾波器前后的差異。紅色為使用中值濾波器前的信號，藍色為經(jīng)過中值濾波器（三階）的信號。 圖9 中值濾波器輸入輸出信號對比 2.均值濾波器 均值濾波器則采用了對一組采樣數(shù)據(jù)取平均值得方法來提高信噪比。均值濾波器會使信號的幅值更加穩(wěn)定，也就會使IIR數(shù)字濾波器的輸入更加穩(wěn)定，相位偏差更小。但均值濾波器階數(shù)的增加會使得接近感應(yīng)的檢測響應(yīng)時間增加。圖10對比了信號在使用均值濾波器前后的差異。紅色為使用均值濾波器前的信號，藍色為經(jīng)過均值濾波器（四階）的信號。 圖10 均值濾波器輸入輸出信號對比 3.IIR數(shù)字濾波器 IIR數(shù)字濾波器具有反饋，一般認為是無限的脈沖響應(yīng)。同時IIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度很高，但相位不是線性的。也就是說在使用IIR數(shù)字濾波器的時候會使信號更加平滑，但同時會帶來延時，造成整個系統(tǒng)的實時性有所下降。圖11描述了IIR數(shù)字濾波器的原理。 圖11 IIR數(shù)字濾波器原理 IIR數(shù)字濾波器在接近感應(yīng)的應(yīng)用中尤為重要，因為接近感應(yīng)需要極高的靈敏度，所以信號需要十分的穩(wěn)定和平滑。盡管IIR數(shù)字濾波器會對整個系統(tǒng)的響應(yīng)造成一些延時，但由于資源的限制，軟件濾波只能采用這種方式。在圖11中，yn = a * yn-1 b * xn，對于系數(shù)a和b的選擇，本文經(jīng)過了大量的數(shù)據(jù)仿真，還在此基礎(chǔ)上使用了Cypress專利，實現(xiàn)了動態(tài)調(diào)整系數(shù)a和b，使得整個系統(tǒng)的響應(yīng)延時得到了明顯的降低。 圖12對比了信號在使用IIR數(shù)字濾波器前后的差異。紅色為使用IIR數(shù)字濾波器前的信號，藍色為經(jīng)過IIR數(shù)字濾波器的信號。從圖中可以明顯地看出，經(jīng)過IIR數(shù)字濾波器后的信號變得更加平滑，但同時也產(chǎn)生了一定的延時。 圖12 IIR數(shù)字濾波器輸入輸出信號對比 ★信號處理 在處理信號的過程中，為了保證更大的信噪比，需要處理好信號與噪聲，圖13列出了信號與噪聲。同時為了保證信號能夠適應(yīng)溫度等外界條件的變化，在信號處理中引入了基線這一機制。所有的信號都是以基線為基準，同時基線隨著外部環(huán)境的變化進行更新。更新的原則是，當信號小于噪聲的水平時，基線進行更新，一旦信號大于噪聲的水平，基線便不再更新。 圖13 接近感應(yīng)系統(tǒng)中的信號與噪聲 ★狀態(tài)判斷 在距離感應(yīng)的實際應(yīng)用中，由于不同客戶有著不同的需求，所以在對于整個狀態(tài)機的處理需要遵循幾個原則：1. 保證檢測的可靠性。2. 在各種限定條件下保證檢測成功率最高。3. 盡量短的響應(yīng)時間。 總結(jié) 本文設(shè)計的電容式接近感應(yīng)探測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于調(diào)試和量產(chǎn)等優(yōu)點，同時在探測距離、反應(yīng)速度、穩(wěn)定性等方面也具有較高的性能。該設(shè)計在知名客戶的智能手機中已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，探測距離接近17mm， 響應(yīng)速度的典型值是70ms， 并且通過了嚴格的ESD、EMC、溫度等測試，實現(xiàn)了客戶替換IR傳感器的目標。 |
