CN109039320A - 一种可以满足复杂工况的高可靠的电容式触摸按键 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以满足复杂工况的高可靠的电容式触摸按键，本发明借助于系统采用了主要的三种数字信号滤波器：1，移动平均滤波器算法；2，数字微分算法；3，单极点无限冲激响应高通数字滤波器算法。这些滤波器都不会占用太多的计算资源，因此在较便宜的MCU平台上就可以良好地运行。移动平均滤波器会占用较多的RAM资源，尤其在触摸按键通道比较多的时候更是这样。一些专用器件所产生的电容参数测量数据不是16bit的，而是24bit的。我们尽量将其压缩到16bit进行处理，否则太宽的数据宽度会导致更多RAM的消耗。比较好的专用器件，测量数据包含较少的随机白噪声，那么移动平均滤波器可以采用较少的点数，从而节省RAM资源。

Description

一种可以满足复杂工况的高可靠的电容式触摸按键

技术领域

本发明属于一种可以满足复杂工况的高可靠的电容式触摸按键。

背景技术

在触摸屏手机的推动下，现在有越来越多的电子产品采用电容式触摸按键来取代以往的机械触点按键，作为产品的人机界面的输入方式。可以使得产品的外观设计更独特，更美观。虽然，电容式触摸按键并不能像机械触点按键那样，可以提供清晰的动作回馈信息（手指能感应到按键被按下，人可以确认自己的动作是有效的），这算是一个人机接口的缺陷；但是也阻挡不了电容式触摸按键的广泛应用。即便是汽车前装领域，一向比较保守，但是触摸按键的应用也越来越多。

我们所描述的这个电容式触摸按键的处理方法，已经经过大量的实际产品验证，可以可靠工作在各种恶劣的气候以及电磁环境下。例如桌面型液晶显示器，抽油烟机等有各种电机控制的家电产品，工业空调以及汽车驾驶仓等。

1、电容式触摸按键早期比较多一些纯硬件的IC解决方案，这些解决方案就是有非常致命的缺陷，不能稳定可靠地工作，也不能很好地应对稍微复杂一点的工作环境。电容式触摸IC很容易发生错误，需要系统的主控器件经常对触摸处理IC进行复位操作。所以现在这样纯硬件的解决方案已经很少被使用，算是退出历史的舞台。

2、现在较多使用的是具有MCU的电容式触摸按键专用器件，由于有MCU的引入，因此可以编写MCU程序，引入简单或者复杂的处理方法，从而使得该电容式触摸按键解决方案有机会稳定而可靠地工作。有些MCU核仅仅是4bit，又没有很多的RAM资源，因此是没有办法导入比较复杂的数字信号处理方法，这样的IC只能应对比较简单的使用环境；一般复杂一些，温度条件恶劣一些，或者有电机使用的环境里都没有办法可靠地工作。而一些具有8bit以上MCU核的器件，由于资源较多，复杂的处理算法得以运行，可以满足复杂和苛刻环境的使用。

3、利用一般的MCU的I/O口也可以实现电容式触摸按键的功能，这种方案如果按键数不多，系统任务不复杂；那么采用自己熟悉的MCU也是有机会尝试一下使用电容式触摸按键的。这种方案并不主流，主要的原因在于：

A) 采用I/O口和内部振荡器来实现电容的检测，还是需要配合一定的外围器件；不如专门的器件那么直接，专用的器件是几乎没有外围器件的，感应焊盘直接连接到器件的引脚；

B) 电容量测测量过程中没有太多可供调节的参数，非常不灵活，充放电电流不可调，电压门限不可调；一旦实际的系统导致测量值太大或者太小时，只能调整硬件的设计，代价非常高；

C) 受普通MCU特性的限定，电容值的测量精度是没有办法保障的，个体差异可能比较大；

D) 电容的测量需要占用MCU的运行资源，如果在一个复杂系统当中，MCU本身的任务比较重，再加上电容的测量以及测量值的处理的要去，MCU将难以负荷，产品的开发难度增加；

4、专用的电容式触摸按键处理IC当中，也有一些价格较贵的IC使用Δ-∑型的ADC来直接进行电容值的测量；更多是讲电容量转变为频率量然后在进行测量，由于不使用ADC部件，因此器件的成本比较有优势，这个方式是采用得比较多的。通常的专用器件当中也仅仅只有一个测量部件，因此具有多路电容式触摸按键输入也仅仅采用分时测量来进行处理。

5、电容式触摸按键的操作，毕竟是对微弱电容量的一个测量，所以对专用器件的电源处理不能掉以轻心；必须要让电源的纹波尽可能小一些，才能确保电容值测量的精度和稳定度。这个在实际应用当中很容易被忽略掉了。

6、专用的电容式触摸按键处理芯片，其外围电路极其简单，特定形状和面积的PCB铜箔构成感应焊盘，而焊盘将直接连接至芯片的引脚。这样极其简单的电路，往往使得应用工程师掉以轻心，从而在产品开发中吃尽苦头。动作很容易，但是在特定的条件下可靠稳定地工作就不是那么简单了。关于产品结构必须要认真斟酌考虑，设计有感应焊盘的PCB和产品外壳之间要有紧密而可靠接触，通过胶水紧固是比较差的工艺方法。合理的结构设计，螺钉或者卡扣紧固是比较合理的方式方法。

7、一些特定的问题：

A) 当环境因素发生变化时，例如温度变化、湿度变化以及电磁条件变化时，都会导致测量到的电容参数发生变化和漂移，变化的趋势慢，变化的幅度小；但是累积的幅度可能是比较大的；

B) 一些手持式的产品，如果采用电容式触摸按键；当产品摆放的位置和方向发生变化时，所测量到的电容参数也可能会发生变化和偏移；

C) 如果设计有感应焊盘的PCB（无论软性还是硬质）和外壳之间的空隙，如果由于按键动作或者其他因素，导致变化时，检测到的电容量会发生变化和偏移。

D) PCB（设计有感应焊盘）和外壳之间如果因为环境的因素，而累积了静电电荷的话；检测到的电容量会发生变化和偏移。

E) 感应焊盘一旦靠近强干扰电路，那么检测到的电容量信号中将包换干扰信号，严重的甚至会产生误动作；

F) 对讲机即使在靠近产品的触摸按键区域，也有可能在通话过程中导致按键误动作；GMS制式的手机也是一种比较强的干扰源。

G) 采用电容式触摸按键的产品也比较容易由于感应焊盘的结构而感应电磁能力，所以在安规测试的ESD测试中有可能会通不过。这时需要增加一些简单外围的元件来克服相关的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以满足复杂工况的高可靠的电容式触摸按键。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种可以满足复杂工况的高可靠的电容式触摸按键，其特征在于，系统采用了主要的三种数字信号滤波器，这些滤波器都不会占用太多的计算资源，因此在较便宜的MCU平台上就可以良好地运行，此外，电容参数测量数据将其压缩到16bit进行处理，采用专用器件，测量数据包含较少的随机白噪声，从而节省RAM资源；

其中，具体算法为：

移动平均滤波器算法：

移动平均滤波器是最容理解，而且也是数字信号处理当中广泛使用的滤波器。虽然很简单，但是非常实用，因此，在解决实际问题时是首选的方案，移动平均滤波器的实现方式是由输入信号取平均值而产生输出信号，可以写作如下的形式：

在上面这个移动平均滤波器表达式当中，x[]表示输入信号，y[]表示输出信号，M表示在移动平均滤波器中使用的点数。该公式只计算了输出抽样的一个边带，移动平均滤波器是长为1的矩形脉冲的卷积；

移动平均滤波器的另外一个极大的优势在于它可以由非常高速的算法来实现，不需要每次都累加M个采样的样本数，结合上一次的累加后，只需要处理最新的一个样本和最老的一个样本就可以了；这可以用下面的式子表示出来：

Y[i] = y[i-1] + i[i+p] – x[i-q]

p = (M-1)/2

q = p + 1

以上是移动平均滤波器的递推实现方法，x[]是输入信号，y[]是输出信号，M是移动平均滤波器的点数，通常选择奇数；

同时，在实际的应用当中，每一个触摸按键的通道都需要占用一个移动平均滤波器；为了节省RAM的资源，通常选择5、7和9点数来作为移动滤波器的点数，过多的点数会消耗太多的RAM资源；

此外，针对一个具体的触摸按键通道，在我们的算法当中会使用到两路的移动平均滤波器；其中，触摸按键的原始采样数据同时输入给两路移动平均滤波器，一路滤波器输出的信号提供给下一级的数字信号处理；另外一路滤波器输出的将作为触摸按键的比较基准，用于判断手指是否以极缓慢的速度离开感应区域；

数字微分算法：

同时，采用数字微分方式，数字微分是比较简单的，基本公式如下：

Y[i] = x[i] – x[i-1]

以上数字微分的公式当中，y[]是输出信号，x[]是输入信号。运算很简单，占用不了太多的运算资源；

数字微分通过前后两个样本数据的差值，可以看出信号幅度变化的趋势：

y[] = 0，信号幅度没有变化

y[] > 0，信号幅度增加

y[] < 0，信号幅度减少

设定一个变化的门限d，那么我们可以认为y[] >d，代表手指接近感应区域；而y[] <-d，代表手指离开感应区域；

数字微分的算法可以用来快速识别手指是接近感应区域，还是离开感应区域；

单极点无限冲激响应高通数字滤波器算法：

无限冲激响应HIR滤波器上实现了一个单极点的HIR高通滤波器，该滤波器的表达式如下：

Y[i] = 0.975x[i] – 0.975y[I – 1] + 0.95y[I – 1]

以上单极点HIR高通滤波器的公式当中，y[]是输出信号，x[]是输入信号；

通过以上的单极点HIR高通滤波器，我们可以滤除直流和低频交流的成份，只保留了代表手指动作的高频交流成份，同时，通过这个高通滤波器，我们可以很容易就排除系统实现和环境耦合的各种干扰因素，输出的信号配合一个简单的比较门限，我们就可以简单地判断出手指动作，则有：

y[i] > d，手指按压到感应区域上

y[i] < -d，手指离开感应区域

-d <y[i] < d，手指没有动作，手指一直停留在感应区域上也符合这个条件。

本发明采取了上述方案以后，借助于系统采用了主要的三种数字信号滤波器，这些滤波器都不会占用太多的计算资源，因此在较便宜的MCU平台上就可以良好地运行。移动平均滤波器会占用较多的RAM资源，尤其在触摸按键通道比较多的时候更是这样。一些专用器件所产生的电容参数测量数据不是16bit的，而是24bit的。我们尽量将其压缩到16bit进行处理，否则太宽的数据宽度会导致更多RAM的消耗。比较好的专用器件，测量数据包含较少的随机白噪声，那么移动平均滤波器可以采用较少的点数，从而节省RAM资源。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书所特别指出的结构来实现和获得。

具体实施方式

以下将结合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

系统采用了主要的三种数字信号滤波器，这些滤波器都不会占用太多的计算资源，因此在较便宜的MCU平台上就可以良好地运行。移动平均滤波器会占用较多的RAM资源，尤其在触摸按键通道比较多的时候更是这样。一些专用器件所产生的电容参数测量数据不是16bit的，而是24bit的。我们尽量将其压缩到16bit进行处理，否则太宽的数据宽度会导致更多RAM的消耗。比较好的专用器件，测量数据包含较少的随机白噪声，那么移动平均滤波器可以采用较少的点数，从而节省RAM资源。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可以满足复杂工况的高可靠的电容式触摸按键，其特征在于，系统采用了主要的三种数字信号滤波器，这些滤波器都不会占用太多的计算资源，因此在较便宜的MCU平台上就可以良好地运行，此外，电容参数测量数据将其压缩到16bit进行处理，采用专用器件，测量数据包含较少的随机白噪声，从而节省RAM资源；

其中，具体算法为：

移动平均滤波器算法：

移动平均滤波器是最容理解，而且也是数字信号处理当中广泛使用的滤波器，虽然很简单，但是非常实用，因此，在解决实际问题时是首选的方案，移动平均滤波器的实现方式是由输入信号取平均值而产生输出信号，可以写作如下的形式：

在上面这个移动平均滤波器表达式当中，x[]表示输入信号，y[]表示输出信号，M表示在移动平均滤波器中使用的点数，该公式只计算了输出抽样的一个边带，移动平均滤波器是长为1的矩形脉冲的卷积；

移动平均滤波器的另外一个极大的优势在于它可以由非常高速的算法来实现，不需要每次都累加M个采样的样本数，结合上一次的累加后，只需要处理最新的一个样本和最老的一个样本就可以了；这可以用下面的式子表示出来：

Y[i] = y[i-1] + i[i+p] – x[i-q]

p = (M-1)/2

q = p + 1

以上是移动平均滤波器的递推实现方法，x[]是输入信号，y[]是输出信号，M是移动平均滤波器的点数，通常选择奇数；

同时，在实际的应用当中，每一个触摸按键的通道都需要占用一个移动平均滤波器；为了节省RAM的资源，通常选择5、7和9点数来作为移动滤波器的点数，过多的点数会消耗太多的RAM资源；

此外，针对一个具体的触摸按键通道，在我们的算法当中会使用到两路的移动平均滤波器；其中，触摸按键的原始采样数据同时输入给两路移动平均滤波器，一路滤波器输出的信号提供给下一级的数字信号处理；另外一路滤波器输出的将作为触摸按键的比较基准，用于判断手指是否以极缓慢的速度离开感应区域；

数字微分算法：

同时，采用数字微分方式，数字微分是比较简单的，基本公式如下：

Y[i] = x[i] – x[i-1]

以上数字微分的公式当中，y[]是输出信号，x[]是输入信号，运算很简单，占用不了太多的运算资源；

数字微分通过前后两个样本数据的差值，可以看出信号幅度变化的趋势：

y[] = 0，信号幅度没有变化

y[] > 0，信号幅度增加

y[] < 0，信号幅度减少

设定一个变化的门限d，那么我们可以认为y[] >d，代表手指接近感应区域；而y[] <-d，代表手指离开感应区域；

数字微分的算法可以用来快速识别手指是接近感应区域，还是离开感应区域；

单极点无限冲激响应高通数字滤波器算法：

无限冲激响应HIR滤波器上实现了一个单极点的HIR高通滤波器，该滤波器的表达式如下：

Y[i] = 0.975x[i] – 0.975y[I – 1] + 0.95y[I – 1]

以上单极点HIR高通滤波器的公式当中，y[]是输出信号，x[]是输入信号；

通过以上的单极点HIR高通滤波器，我们可以滤除直流和低频交流的成份，只保留了代表手指动作的高频交流成份，同时，通过这个高通滤波器，我们可以很容易就排除系统实现和环境耦合的各种干扰因素，输出的信号配合一个简单的比较门限，我们就可以简单地判断出手指动作，则有：

y[i] > d，手指按压到感应区域上

y[i] < -d，手指离开感应区域

-d <y[i] < d，手指没有动作，手指一直停留在感应区域上也符合这个条件。