2. CapSense技术
2.1 CapSense基本原理
CapSense是一种触摸式感应技术，其工作方式是在预先指定为传感器的CapSense控制器上测量每个I/O引脚的电容。如图2-1所示，对于具有n个传感器的设计，每个传感器引脚的总电容可以模拟为数值为CX,1到CX,n的等效总电容值。CY8C20xx6A/AS/H器件的内部电路将各个CX的大小转换为数字代码进行保存，以供后期处理。CapSense控制器的内部电路会使用其他组件CMOD，更多信息会在CY8C20xx6A/AS/H中的电容式感应方法电容式感应方法中讨论。
图2-1. 在CY8C20xx6A/AS/H PSoC器件中实现CapSense
如图2-1所示，每个传感器I/O引脚均通过走线、过孔或两者连接至传感器板。覆盖层是传感器板上面的非导电性覆盖层，这便构成了该产品的触摸式接口。当手指触摸到覆盖层时，人体组织的导电性会产生一个与传感器板并行的接地导电层，如图2-2所示。该操作构成了一个平行板电容；其容值可通过公式1计算得到：
????=
????????????
公式1
其中：
CF = 手指触摸传感器覆盖层时所产生的电容值 ε0 = 空气介电常数
εr = 覆盖层的绝缘常数（相对介电常数）
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A = 手指与传感器板覆盖层的接触面积 D = 覆盖层的厚度
图2-2. 典型的CapSense PCB与通过手指激活的传感器之间的横截面图
除了平行板电容值外，当手指触摸到覆盖层时，也会在其自身与附近其他导体之间产生边缘电场。与平行板电容相比，这些边缘电场的影响通常很轻微，所以通常可以忽略它们。
即使手指未触摸覆盖层，传感器I/O引脚也有一些寄生电容（CP）。CP是由CapSense控制器内部寄生电容与耦合电场共同产生的，其中电场是在传感器板、走线和过孔以及系统中其他导体（如接地层、其他走线、产品机壳或外壳中的任何金属）之间耦合产生的。CapSense控制器可测量连接至传感器引脚的总电容（CX）。 当手指未接触传感器时：
????= ????
当手指触摸传感器板时，CX等于CP与CF之和： ????=????+????
公式2
公式3
通常，CP比CF大几个数量级。CP的范围通常为10 pF到25 pF，但在极端情况下可以高达50 pF。CF的范围通常为0.1 pF到0.4 pF。调校CapSense系统时，CP的数量级至关重要，这将在通过用户模块调校CapSense性能中进行讨论。
2.2 CY8C20xx6A/AS/H中的电容式感应方法
CY8C20xx6A/AS/H器件支持多个用来将传感器电容（CX）转换成数字计数的CapSense方法。这些方法包括CapSense Sigma Delta（CSD）、CapSense逐次逼近电磁兼容（CSA_EMC）、SmartSense和SmartSense_EMC。这些方法在PSoC Designer用户模块中实现，并在以下章节中进行描述。
2.2.1 CapSense Sigma-Delta（CSD）
如图2-3所示，CY8C20xx6A/AS/H器件中的CapSense Sigma-Delta方法将CX整合到开关电容电路中。该传感器（CX）分别通过开关Sw1和Sw2交替连接到GND和模拟复用器（AMUX）总线。Sw1和Sw2由预充电时钟驱动，通过模拟复用器（AMUX）总线释放电流（ISENSOR）。ISENSOR的数量级与CX的数量级成正比。Sigma-Delta转换器采
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集AMUX总线电压样本并生成一个用来控制恒流源（IDAC）的调制位流，该恒流源对AMUX充电以使AMUX总线的平均电压便保持为VREF。传感器释放调制电容器（CMOD）中的电荷ISENSOR。CMOD与Rbus共同构成一个低通滤波器，该滤波器消弱了Sigma-Delta转换器输入的预充电开关跃变电压。
图2-3. CSD框图
CY8C20xx6A/AS/HGndPrecharge ClockSw1IDACVrefGndSw2RbusCxisensorAMUX BusHigh-Z inputSigma-Delta ConverterCmod2.2nF/X7R/5V= External Connection
保持AMUX平均电压为稳态值（VREF）时，Sigma-Delta转换器通过控制位流占空比的方式保持平均的泄漏电流（IDAC）与ISENSOR相互匹配。Sigma-Delta转换器在传感器扫描期间内存储位流，其累积结果为数字输出值，称为原始计数，该值与CX成正比。原始计数由高级算法进行解析，用于确定传感器的状态。在手指触摸传感器然后再释放的过程中，得到若干连续扫描结果，可根据扫描结果绘制出CSD原始计数，如图2-4所示。正如CapSense基本原理所解释，手指触摸使CX增加到CF，依次使原始计数按比例增加。通过比较稳态下原始计数水平到预定阈值转变，高级算法能够确定传感器是处于ON（触摸）还是OFF（无触摸）状态。
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图2-4. 手指触摸期间的CSD原始计数
2.2.2 CapSense逐次逼近电磁兼容性（CSA_EMC）
如图2-5所示，CY8C20xx6A器件应用CapSense逐次逼近电磁兼容（CSA_EMC）方法，将CX整合到开关电容电路上。
图2-5. CSA_EMC框图
CY8C20xx6A/H/ASVrefGndiDACSw2RbusisensorCxSw1idiffPrecharge ClockAMUXHigh-Z inputSingle Slope ADCCint1.2nF/X7R/5V= External Connection
恒流源（IDAC）为模拟复用器（AMUX）提供的电流量为IDAC。传感器（CX）分别通过开关Sw1和Sw2选择性地连接到AMUX总线和GND，耗尽AMUX总线流出的ISENSOR电流量。ISENSOR的数量级与CX的数量级成正比。Sw1和Sw2的时钟来自非重叠时钟（称为预充电时钟）。
积分电容CINT集成差动电流iDiff（IDAC和ISENSOR的差值），并增强其电位。此电荷积分持续进行，直到展开的潜能超过CINT达到平衡水平，即ISENSOR等于IDAC。此积分时间称为建立时间。
请用单斜ADC将CINT的平衡电位转换为数字输出计数，即与CX成比例的原始计数。原始计数由高级算法进行解析，以确定传感器的状态。
用逐次逼近方法设置IDAC电流，以确保CINT的均衡电压在ADC的线性转换区域。
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图2-6表示从手指触摸传感器到释放这段时间内多次连续扫描得出的CSA_EMC原始计数。正如CapSense基本原理所解释，手指触摸使CX增大到CF，依次使原始计数按比例增加。通过比较稳态下原始计数水平到预定阈值转变，高级算法能够确定传感器是处于ON（触摸）还是OFF（无触摸）状态。
图2-6. 手指触摸期间的CSA_EMC原始计数
CSA_EMC CapSense算法适用于存在射频干扰的情况。当CapSense遭遇传导干扰、交流噪声以及变换器、变压器和电源等其他噪声源时，可使用CSA_EMC。CSA_EMC用户模式低级参数中详细讨论了该主题。
2.3 SmartSense自动调校
调校触摸感应用户接口是确保系统正常运行和保持良好用户体验的重要步骤。典型设计流程包括在初始设计阶段和系统整合过程中调校传感器界面，并在投入量产前进行最后的生产微调。调校是一个重复过程，可能非常耗时。SmartSense自动调校性能用于简化用户界面开发周期。SmartSense易于使用，通过省去从原型到批量生产的整个产品开发周期中的调校过程，可大幅缩短设计周期时间。SmartSense在每个CapSense传感器上电时自动对其进行调校，从而监控并维护运行时最佳传感器性能。这项技术适用于PCB、覆盖层的制造性误差和噪声源（如LCD反相器、交流电路噪声和开关模式电源），并能够自动对其进行修正。
2.3.1.1 过程差异
CY8C20xx6A/H/AS SmartSense用户模块（UM）设计与寄生电容在5 pF到45 pF范围内的传感器工作（典型的传感器CP寄生电容值介于10 pF到20 pF之间）。各个传感器的灵敏度参数会根据特定传感器的特性自动设置。因为在指定范围5 pF到45 pF内，无论传感器之间的CP怎样变动，都保持每个传感器的响应一致，所以提高了批量生产的产品率。
个别传感器的寄生电容可能由于PCB布局、PCB制造流程各不相同或多源供应链中的不同PCB供应商，有所变化。传感器的灵敏度取决于寄生电容的大小；CP值越高，传感器灵敏度就越低，从而导致手指触摸信号振幅降低。在某些情况下，CP值的变化会使系统失谐，使传感器无法达到最佳性能（过于灵敏或不够灵敏）；在最坏的情况下，传感器不能正常工作。 在上述任一情况下，您都须要重新调校系统。在某些情况下，还需要重新验证UI子系统。SmartSense自动调校可解决这些问题。
SmartSense自动调校可以实现平台设计。设想在笔记本电脑上设置电容式多媒体触摸感应键；在两个按键之间的间距大小均取决于笔记本电脑尺寸和键盘布局。在本示例中，宽屏设备的按键间距要比标准屏幕机型的大许多。两个按键之间的间距越大，传感器与CapSense控制器之间的走线就越长，进而导致传感器寄生电容越高。这意味着在同一个平台上设计的不同模型，CapSense按键的寄生电容也可能不同。虽然对于所有笔记本模型而言，这些按键的功能都相同，但是，必须根据不同模型来调校传感器。使用所推荐的最佳实践（参见CapSense入门手册中的PCB布局），SmartSense可以帮助您实现平台设计，调校功能会自动并有效地完成。
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赛普拉斯触控CapSense - 图文
