CN107633230B - 一种高效手指电容检测电路 - Google Patents

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Abstract

一种高效手指电容检测电路，包括方波振荡器、放大器、放大器第一输入端与第一反向器输出端相连，反向器输入端经电阻RF与方波振荡器输出端相连，在反向器输入端还经电容CR接地；放大器第二输入端与第二反向器输出端相连，第二反向器输入端经电阻RK与方波振荡器输出端相连，第二反向器输入端还经电容CP接地；第二反向器输入端还与选择器Mux的输出端相连；放大器的电源端口与MCU的控制端口相连，MCU的信号采集端口与方波振荡器的输出端口相连。本发明采用对电容充电时间进行对比输出，直观的得到是否有手指触碰，且采用可调电阻Rf提高其可配置性与可靠性。

Description

一种高效手指电容检测电路
技术领域
本发明涉及指纹识别领域，具体涉及一种高效手指电容检测电路。
背景技术
随着生物识别技术的迅猛发展，指纹识别作为最古老的生物识别技术之一已经走进了每个人的日常生活之中。此外，半导体行业日新月异，指纹传感器也随着半导体产业的“More than moore”定律逐渐向着小型化、低成本化发展。在诸如手机、Pad以及智能手环等便携式设备中，指纹识别几乎占据了80％的份额，极大地方便了便携式设备的日常加密操作，成为我们工作生活中不可或缺的一部分。
指纹传感器(又称为指纹Sensor)是实现指纹自动采集的关键器件。指纹传感器按传感原理可以分为三个大类：光学传感器、半导体传感器以及超声波传感器。其中半导体电容传感器由于其价格低廉、环境影响率低占据了市场上的主要份额。
指纹识别技术随着半导体行业的发展逐渐走进我们的生活中，便携式设备的指纹解锁功能几乎随处可见。与此相关，功耗问题一直是便携式设备所注重的地方，因此指纹传感器中加入手指触碰检测装置来降低功耗势在必行。
为了达到降低功耗的目的，目前市场上大部分的指纹传感器都配备了手指触碰检测装置。当没有手指触碰时，手指触碰检测装置使得指纹采集模块睡眠；当有手指触碰时，手指触碰检测装置使能指纹采集模块采集指纹，从而达到降低功耗的目的。然而传统的手指触碰检测均采用RC振荡器亦或者开关脉冲计数，这两种方式均是通过检测电容的变化判断手指触碰，但是其功耗较大且可配置性低。本发明提出一种新的电容检测装置，其特点是低功耗，高可靠性，且可配置性较高。
现有的针对手指触碰检测的装置均是对电容进行判断，一部分将电容的变化利用振荡器和比较器转换为电压频率的变化，再通过计数器对输出电压的上升边沿计数，比较计数值的大小从而达到电容检测的目的；另一部分则通过电荷转移的思想对基准电容充放电，比较电压阈值的持续时间从而达到电容检测的目的。现有的手指触碰检测方法由于采用计数器的方式，故其功耗较高，且可配置性较差。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种高效手指电容检测电路，具体技术方案如下：
一种高效手指电容检测电路，其特征在于：包括第一振荡器、第二振荡器、电容检测模块和寄存器配置模块；
所述第一振荡器和所述第二振荡器具有相同参数配置，所述电容检测模块包括第一移位寄存器和第二移位寄存器，该第一振荡器的第一输出端与第一移位寄存器的控制端口相连，该第一振荡器的第二输出端经反向器与第二移位寄存器的控制端口相连；
所述第二振荡器的采集端口采集手指电容信号，所述第二振荡器的输出端口分别与所述第一移位寄存器数据端口和所述第二移位寄存器数据端口相连；
所述寄存器配置模块对所述第一移位寄存器和所述第二移位寄存器进行选择输出。
为更好的实现本发明，可进一步为：所述选择器Mux的输入端与IO Pad相连。
本发明的有益效果为：第一，本发明采用对电容充电时间进行对比输出，直观的得到是否有手指触碰，且采用可调电阻Rf提高其可配置性与可靠性。第二，本发明易于实现，消耗功耗低。上述优点使得本发明的应用范围更广，便于本发明的推广利用。第三，该电容检测装置易于实现，与传统的计数器计数的方式相比，极大地降低的功耗，且可以通过配置可调电组Rf可以控制参考组的时间常数从而控制比较器高电平的持续时间提高其可配置性与可靠性。同时在物理实现上可以通过选择器Mux调节IO Pad与手指的接触连接。
附图说明
图1为本发明电路结构示意图；
图2为积分电路输出波形与比较器输入波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示：一种高效手指电容检测电路，包括方波振荡器、放大器和MCU，该方波振荡器为图1中的Oscillator，该放大器为图1中的COMP，放大器第一输入端与第一反向器输出端相连，反向器输入端经电阻RF与方波振荡器输出端相连，在反向器输入端还经电容CR接地；
放大器第二输入端与第二反向器输出端相连，第二反向器输入端经电阻RK与方波振荡器输出端相连，第二反向器输入端还经电容CP接地；
第二反向器输入端还与选择器Mux的输出端相连；
放大器的电源端口与MCU的控制端口相连，MCU的信号采集端口与方波振荡器的输出端口相连。
电阻Rf和电容CR的公共端为参考电压输出端口，电阻Rk和电容CP为信号采集端口。
本发明工作原理：
电阻Rf与电容Cr为参考组，电阻Rf与电容Cr的公共端为参考输出端口，电阻Rk与电容Cp为采集组，电阻Rk与电容Cp的公共端为信号采集端口。
首先通过振荡器Oscillator产生低频方波脉冲，振荡器周期即为手指检测周期。参考电容Cr与手指检测电容Cp在无手指按压的情况下，其大小相等，均配置为5-10pF，由于人体电容约50-100pF，故当手指接触IO Pad后手指检测电容Cp相对意义上增大至55-110pF；参考电阻Rk与配置的可调电阻Rf分别决定电容CP和电容CR充放电的时间常数τ的大小，使采集到的手指信号的周期大于脉冲周期从而构成积分电路，同时配置Rf可调电阻阻值为Rk的2-5倍。
此时积分电路输出波形以及比较器输入波形具体如图2所示：
Pulse代表振荡器Oscillator产生的脉冲信号，Vcap代表电容电压即积分电路的输出电压，Vinv代表反相器输出电压，Vt代表反相器阈值Vt；
当无手指按压时，采集组的时间常数τ小于参考组的时间常数τ，反相器1和2输出结果为图2中的Cr和Cp without finger所示；
当有手指按压时，采集组时间常数τ将增大10倍以上，该采集组时间常数τ远大于参考组，反相器1和2输出结果为图2中的Cr和Cp with finger所示。
本发明工作原理：
当Pulse上升沿到来时，MCU使能比较器，开始检测比较器输出。反相器1的输出结果用作比较器参考电压Vref，则当无手指按压时，由于电容CR和电容CP配置相同，比较器输出将一直保持低电平；反之当有手指按压时，由于电容CP相对于电容CR增大，达到阈值Vt的时间更长，比较器将输出可调时间长度的高电平。MCU通过检测放大器输出的电平，判断是否有手指按压。当Pulse下降沿到来，MCU关闭比较器，防止电容放电带来的影响。

Claims (2)

1.一种高效手指电容检测电路，其特征在于：包括方波振荡器、放大器、所述放大器第一输入端与第一反向器输出端相连，所述反向器输入端经电阻RF与方波振荡器输出端相连，在所述反向器输入端还经电容CR接地；
所述放大器第二输入端与第二反向器输出端相连，所述第二反向器输入端经电阻RK与方波振荡器输出端相连，所述第二反向器输入端还经电容CP接地；
所述第二反向器输入端还与选择器Mux的输出端相连；
所述放大器的电源端口与MCU的控制端口相连，所述MCU的信号采集端口与所述方波振荡器的输出端口相连；
所述电容CR和电容CP的大小相等，所述电阻RF的阻值为电阻RK的2-5倍。
2.根据权利要求1所述一种高效手指电容检测电路，其特征在于：所述选择器Mux的输入端与IO Pad相连。
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