Измерение емкости
Измерение емкости используется в тех приложениях, где требуется создание бесконтактных переключателей (сенсоров) для интерфейса с пользователем. Защищенные диэлектриком, емкостные сенсоры представляют собой элегантный дизайн и обеспечивают надежность при работе в различной окружающей среде.
Упрощенно, емкостной сенсор - это пара смежных проводников (рис. 1). Когда проводящий объект приближается к этим электродам, появляется емкость между электродами и проводящим объектом. Как правило, под проводящим объектом подразумевается палец, но возможно и применение других объектов.
Обычно массив емкостных сенсоров представляет собой набор конденсаторов, у каждого из которых одна из сторон заземлена. Наличие проводящего объекта вызывает увеличение емкости между сенсором и землей, и срабатывание сенсора можно определить, просто измеряя изменение его емкости (рис. 2).
Рис. 1
Рис. 2
Параметры емкостей обычно находятся в следующих пределах:
- емкость палец-датчик Cfe: ~ 0.1-10 пФ
- собственная емкость человека Ch: ~100 пФ
- собственная емкость платы Cb: ~ 10-300 пФ
- емкость человек-плата, Cbh: ~ 1-10 пФ
Технология реализации емкостных датчиков прикосновения с использованием системы на кристалле PSoC получила название CapSense:
- CapSense должен детектировать малые изменения емкости (0.1-10 пФ) на фоне большой паразитной емкости (10-300 пФ);
- Всегда измеряется сумма паразитной емкости Cpar и емкости касания Cx: Cs=Cx+Cpar
- Для оптимизации использования динамического диапазона всегда следует бороться за уменьшение паразитной емкости
Технология CapSense использует уникальные особенности PSoC для реализации эффективной обработки сигналов от сенсоров.
Возможности PSoC позволяют:
- благодаря широкому мультиплексору использовать для всех каналов общий компаратор и источник тока
- использовать внутренний источник тока
- автоматически подключать компаратор к ключу, разряжающему сенсор.
Архитектура PSoC позволяет разработчикам внедрить в свою разработку различные элементы управления, такие как клавиши, полосы прокрутки, сенсорные экраны, датчики приближения. Внутренняя аппаратура не требует подключения каких-либо внешних компонент для обеспечения заряда сенсоров или для их калибровки. Гибкость PSoC и технологии CapSense позволяет разработчикам быстро изменять проект. Вся калибровка происходит программным образом с использованием графического интерфейса. Состояние сенсоров может использоваться PSoC для управления различными устройствами - светодиодами, двигателями, динамиками и т.д., либо может быть передано в ведущий хост-контроллер системы (рис. 3).
Рис. 3. Система, использующая CapSense
Клавиши
Клавиши CapSense представляют собой базовую функцию приложения, отслеживающего изменение емкости. Детектирование наличия или отсутствия проводящего объекта (такого как палец) может быть легко осуществлено через различные материалы с различной толщиной (рис. 4). Клавиши CapSense могут, например, использоваться в мультимедийных приложениях для управления громкостью, яркостью, управления питанием и прочих функций. Клавиши CapSense могут заменить дискретные механические клавиши практически в любом устройстве.
Рис. 4. Клавиши CapSense
Слайдеры
Слайдеры представляют собой элемент интерфейса более высокого уровня, чем клавиши. Слайдеры могут быть использованы для получения информации о положении пальца, причем с гораздо более большим разрешением (до 100 раз), чем при использовании отдельных элементов. Это достигается путем интерполяции измеряемых значений с отдельных элементов слайдера (рис. 5).
Рис. 5. Слайдер CapSense
Существует возможность уменьшить количество используемых контактов благодаря их диплексированию. Диплексирование - метод соединения, когда каждый контакт PSoC CapSense соединен не с одним, а с двумя сенсорными элементами. Эти элементы расположены в таком порядке, который позволяет однозначно определить, какая сторона слайдера активна (рис. 6).
Рис. 6. Диплексированный слайдер CapSense
Детектор приближения
Емкостной сенсор по определению является детектором приближения. Для обычных клавиш толщина покрытия является дистанцией приближения, т.е. тем порогом, который определяет факт нажатия.
В настоящем детекторе приближения не требуется контакта между покрытием сенсора и пальцем или ладонью пользователя. В таком применении требуется увеличить чувствительность сенсора по сравнению с чувствительностью, требуемой для обычных клавиш. Это реализовано путем получения данных от сенсора в течение более продолжительного времени, что позволяет отследить очень малые изменения емкости.
Способы измерения емкости
Архитектура чипов PSoC позволяет использовать три различных техники измерения емкости:
- CSR (21 x 34, 24 x 94)
- CSD (21 x 34, 24 x 94)
- CSA (20 x 34 и готовящиеся к выпуску)
Метод CSR
Метод CSR (рис. 7) основан на использовании релаксационного генератора. В настоящее время этот метод не рекомендуется для применения в виду плохой помехоустойчивости.
Рис. 7. Метод CSR.
Метод CSD
Метод CSD использует схему на коммутируемом конденсаторе и токоотводящем резисторе обратной связи (рис. 8). Измеряется коэффициент заполнения выходного битового потока.
Свойства метода CSD:
- Сканирование от 1 до 28 сенсоров.
- Детектирование даже через 15-миллиметровое стеклянное покрытие
- Детектирование приближения до 20см с использованием провода в качестве сенсора
- Высокая устойчивость к AC-, EMC-шумам и изменениям питающего напряжения
- Поддержка различных комбинаций независимых сенсоров и слайдеров
- Удвоение разрешающей способности слайдеров с помощью диплексирования.
- Поддержка панелей прикосновения (touch-pad) при применении двух слайдеров.
- Поддержка детектирования при применении высоко-резистивных материалов (например ITO-пленки).
- Использование защитного электрода для обеспечения стабильного функционирования даже при наличии водяной пленки или капель.
- Мастер назначения контактов.
- Интегрированный алгоритм для отслеживания изменений температуры, влажности, электростатических разрядов.
- Легко настраиваемые параметры
- Графическое приложение для PC для мониторинга и оптимизации параметров в реальном времени
Рис. 8. Метод CSD.
Метод CSA
Метод CSA использует схему на коммутируемом конденсаторе (рис. 9). Измеряется напряжение на делителе образованном источником тока и коммутируемым конденсатором.
Свойства метода CSA:
- Сканирование от 1 до 28 сенсоров.
- Сканирование слайдеров с количеством элементов от 2 до 28.
- Удвоение разрешающей способности слайдеров с помощью диплексирования.
- Увеличение разрешающей способности слайдеров с помощью интерполяции.
- Панели прикосновения (touch-pad) при применении нескольких слайдеров.
- Настраиваемая чувствительность сенсора, порога детектирования и частоты опроса.
- Мастер назначения контактов.
- Интегрированный алгоритм для отслеживания изменений температуры.
Рис. 9. Метод CSA.
Примеры использования CapSense
