CN109768792A - 一种电容触摸按键抗干扰检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容触摸按键抗干扰检测装置及方法，所述装置包括电流基准单元、RC振荡单元、反馈波形接收及滤波单元、调制单元、基准时钟、频率计算器、解调单元、信号比较单元和按键状态检测单元；基准时钟控制调制单元输出调制信号，调制单元控制使能RC振荡单元；RC振荡单元控制电流基准单元对检测端口进行充放电，生成反馈波形；波形接收及滤波单元对反馈波形进行滤波；频率计算器计算滤波后反馈波形的频率以及频率波动值；解调单元从滤波后反馈波形中检出解调信号；信号比较单元对调制信号和解调信号进行比较并输出信号比较结果；由按键状态检测单元判断触摸按键状态。与现有技术相比，本发明能消除噪声干扰，提高检测准确性。

Description

一种电容触摸按键抗干扰检测装置及方法

技术领域

本发明涉及触摸抗干扰技术领域，尤其是涉及一种电容触摸按键抗干扰检测装置及方法。

背景技术

触摸式按键具有美观、耐用、成本低、寿命长等优点，在越来越多的设备中得到应用，目前被广泛采用的触摸式按键为电容触摸按键。

电容触摸检测是基于RC振荡器频率变化的原理，当人的手接触触摸按键时，会使触摸按键对地的等效电容变大，从而使得与触摸按键相连的RC振荡器的频率跟随发生变化。

传统的检测方式是通过MCU系统定时采样RC振荡器输出的周期个数，根据周期个数的变化来判断触摸按键是否被按下。如图1所示，包括：现有触摸按键101等效为检测端口对地的电容，当手指触摸时，该电容值发生变化；现有RC振荡单元102，其对检测端口发出振荡波形，RC振荡单元内部的电容与现有触摸按键101的等效电容相关联；检测端口用的现有反馈波形接收及滤波单元103；现有基准时钟104；现有波形计数器105；现有按键状态检测单元106。这种检测方式的工作原理是：以基准时钟计数得到一个固定的时长，在此固定时长内使用波形计数器对端口反馈波形进行计数得到一个计数值，根据此计数值的变化，来识别和判断检测端口电容的变化，当变化值相对于测定的基准值达到一定阈值时，判别触摸按键有被按下。这种触摸检测方式具有灵敏度高的优点，但它同时存在其固有的缺点，即抗强噪声干扰较弱。无论是来自电源的噪声，还是环境强噪声干扰，均会叠加在振荡波形上，容易导致对触摸按键状态的误判。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电容触摸按键抗干扰检测装置及方法，利用载波调制与解调的方式，滤除强噪声干扰，避免触摸按键状态的误判。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电容触摸按键抗干扰检测装置，包括RC振荡单元、反馈波形接收及滤波单元、基准时钟和按键状态检测单元，所述的检测装置还包括电流基准单元、调制单元、频率计算器、解调单元和信号比较单元；

所述基准时钟的第一输出端连接到所述调制单元的输入端，用于控制调制单元输出调制信号；

所述调制单元的第一输出端连接到所述RC振荡单元的输入端，用于控制使能RC振荡单元，将所述调制信号叠加到RC振荡单元的振荡信号上，以生成反馈信号；

所述RC振荡单元的输出端连接到所述电流基准单元的输入端，用于将所述反馈信号传输给所述电流基准单元，以控制所述电流基准单元输出对应的电流值；

所述电流基准单元的输出端连接到检测端口，用于对检测端口进行充放电，以在检测端口生成反馈波形；

所述反馈波形接收及滤波单元的输入端连接到检测端口，用于接收检测端口的反馈波形并对该波形进行滤波处理；

所述频率计算器的第一输入端连接到所述反馈波形接收及滤波单元的输出端，其第二输入端连接到所述基准时钟的第二输出端，其第一输出端连接到所述按键状态检测单元的第一输入端，用于计算所述滤波后反馈波形的频率，并将该频率与所述基准时钟的频率进行比较，以输出频率波动值给所述按键状态检测单元；

所述解调单元的第一输入端连接到所述基准时钟的第三输出端，所述解调单元的第二输入端连接到所述频率计算器的第二输出端，用于从滤波后反馈波形中检出解调信号；

所述信号比较单元的第一输入端连接到所述调制单元的第二输出端，所述信号比较单元的第二输入端连接到所述解调单元的输出端，其输出端连接到所述按键状态检测单元的第二输入端，用于比较所述调制信号和所述解调信号，并输出信号比较结果给所述按键状态检测单元；

所述按键状态检测单元，用于分析判断并输出触摸按键状态。

优选的，所述电流基准单元具有可配置的电流档位，且所述电流档位分别对应不同的检测端口外接电容值。

优选的，所述调制信号和所述解调信号均为一组二进制数列。

一种电容触摸按键抗干扰检测方法，包括：

步骤1，调制生成反馈波形：将调制信号叠加到振荡信号上，形成反馈信号，以在检测端口生成反馈波形；

步骤2，处理解调反馈波形：对所述步骤1中生成的反馈波形进行滤波并计算其频率，将该频率与基准频率进行比较并输出频率波动值，之后在反馈波形中检出解调信号；

步骤3，比较信号：对所述步骤2中的解调信号和所述步骤1中的调制信号进行比较，同时产生信号比较结果；

步骤4，分析判断触摸按键状态：若所述步骤2中的频率波动值超过预设的阈值，且所述步骤3中的信号比较结果为一致，则判断此时触摸按键有被按下，否则判断此时触摸按键没有被按下。

优选的，所述步骤1具体包括：

步骤1.1，根据基准时钟的频率，使调制单元生成调制信号，由调制单元控制使能RC振荡单元，将调制信号叠加到RC振荡单元的振荡信号上，形成反馈信号；

步骤1.2，RC振荡单元将所述步骤1.1中的反馈信号传输给电流基准单元，以控制电流基准单元输出对应的电流值给检测端口充放电，生成反馈波形。

优选的，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，反馈接收及滤波单元对反馈波形进行滤波，并将滤波后的反馈波形传输给频率计算器；

步骤2.2，由频率计算器计算滤波后反馈波形的频率，将该频率与基准时钟的频率进行比较并输出频率波动值；

步骤2.3，根据基准时钟的分频，从滤波后反馈波形中检出解调信号。

优选的，所述步骤2.3中基准时钟的分频，其值近似等于所述步骤2.2中频率计算器计算滤波后反馈波形的频率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、通过增加具有可配置电流档位的电流基准单元，能够适配于不同电容值的触摸外围。

二、通过调制生成反馈波形和解调反馈波形，能够有效地消除强噪声干扰的影响。

三、通过频率波动值和调制解调信号的双重比较，能够提高对触摸按键状态分析判断的准确性。

附图说明

图1为现有技术的检测装置结构示意图；

图2为本发明的检测装置结构示意图；

图3为本发明的检测方法流程示意图。

图示中，101为现有触摸按键，102为现有RC振荡单元，103为现有反馈波形接收及滤波单元，104为现有基准时钟，105为现有波形计数器，106为现有按键状态检测单元；

201为检测端口，202为电流基准单元，203为RC振荡单元，204为反馈波形接收及滤波单元，205为调制单元，206为基准时钟，207为频率计算器，208为解调单元，209为信号对比单元，210为按键状态检测单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图2所示，一种电容触摸按键抗干扰检测装置，包括电流基准单元202、RC振荡单元203、反馈波形接收及滤波单元204、调制单元205、基准时钟206、频率计算器207、解调单元208、信号比较单元209和按键状态检测单元210。

其中，基准时钟206的第一输出端连接到调制单元205的输入端，用于控制调制单元205输出调制信号L1，调制信号L1为一组二进制数列；

调制单元205的第一输出端连接到RC振荡单元203的输入端，用于控制使能RC振荡单元203，将调制信号叠加到RC振荡单元203的振荡信号上，以生成反馈信号；

RC振荡单元203的输出端连接到电流基准单元202的输入端，用于将反馈信号传输给电流基准单元202，以控制电流基准单元202输出对应的电流值，电流基准单元202具有可配置的电流档位，各电流档位分别对应不同的检测端口外接电容值。；

电流基准单元202的输出端连接到检测端口201，用于对检测端口201进行充放电，以在检测端口201生成反馈波形；

反馈波形接收及滤波单元204的输入端连接到检测端口201，用于接收检测端口201的反馈波形并对该波形进行滤波处理；

频率计算器207的第一输入端连接到反馈波形接收及滤波单元204的输出端，其第二输入端连接到基准时钟206的第二输出端，其第一输出端连接到按键状态检测单元210的第一输入端，用于计算滤波后反馈波形的频率f0，并将该频率f0与基准时钟的频率f进行比较，以输出频率波动值Df给按键状态检测单元210；

解调单元208的第一输入端连接到基准时钟206的第三输出端，其第二输入端连接到频率计算器207的第二输出端，用于从滤波后反馈波形中检出解调信号L2，调制信号L2为一组二进制数列；

信号比较单元209的第一输入端连接到调制单元205的第二输出端，其第二输入端连接到解调单元208的输出端，其输出端连接到按键状态检测单元210的第二输入端，用于比较调制信号L1和解调信号L2，具体是比较调制信号L1和解调信号L2的二进制数列是否一致，并输出信号比较结果给按键状态检测单元210；

按键状态检测单元210，用于分析判断并输出触摸按键状态。

如图3所示，基于上述装置的电容触摸按键抗干扰检测方法，包括：

步骤1，调制生成反馈波形：将调制信号叠加到振荡信号上，形成反馈信号，以在检测端口生成反馈波形；

步骤2，处理解调反馈波形：对步骤1中生成的反馈波形进行滤波并计算其频率，将该频率与基准频率进行比较并输出频率波动值，之后在反馈波形中检出解调信号；

步骤3，比较信号：对步骤2中的解调信号和步骤1中的调制信号进行比较，同时输出信号比较结果；

步骤4，分析判断触摸按键状态：若步骤2中的频率波动值超过预设的阈值，且步骤3中的信号比较结果为一致，则判断此时触摸按键有被按下，否则判断此时触摸按键没有被按下。

其中，所述步骤1具体包括：

步骤1.1，根据基准时钟206的频率，使调制单元205生成调制信号L1，由调制单元205控制使能RC振荡单元203，将调制信号L1叠加到RC振荡单元203的振荡信号上，形成反馈信号；

步骤1.2，RC振荡单元203将步骤1.1中的反馈信号传输给电流基准单元202，以控制电流基准单元202输出对应的电流值给检测端口201充放电，生成反馈波形。

所述步骤2具体包括：

步骤2.1，反馈接收及滤波单元204对反馈波形进行滤波，并将滤波后的反馈波形传输给频率计算器207；

步骤2.2，由频率计算器207计算滤波后反馈波形的频率f0，将该频率f与基准时钟206的频率f进行比较并输出频率波动值Df；

步骤2.3，根据基准时钟的分频mf，该分频值mf近似等于所述步骤2.2中频率计算器计算滤波后反馈波形的频率f0，从滤波后反馈波形中检出解调信号L2。

本实施例中，电流基准单元202的可配置档位范围为100nA～100uA，分别对应不同的外接电容值。基准时钟206的频率f＝8MHz，对应的周期为125ns。

当电流基准为10uA时，对应检测端口外接电容为C0＝1nF，检测端口上能得到f0＝16kHz的反馈波形，对应周期为6.25us。根据公式：f∝I/C，其中，电流基准I不变，当电容C发生变化时，频率f相应成反比例发生改变。

假设手指触摸增加电容值最小为端口外接电容的1/5000，即0.2pF，则反馈波形频率会降低1/5000，对应周期增加约12.5ns，所以频率计算器207需要待反馈波形至少计数10次后，才能对应基准时钟206的1个周期时间125ns。因此频率计算器207需要经过16kHz的10个周期(即6.25us×10＝625us)后，才可计算出滤波后反馈波形的频率。

实际上因为要将滤波后反馈波形的频率作为解调单元208的输入，所以往往先做较长时间平均计算得出较为精准的频率值。

为更方便说明，假设手指触摸增加电容值600pF，即检测端口总电容达到1.6nF，则检测端口反馈波形频率f0变为10kHz。

以基准时钟206的800分频即10kHz作为解调单元208的时钟基数，来解调滤波后反馈波形。即使电路外围有强噪声的影响，解调单元208也可以解调出与调制单元205相同的包络编码，从而达到滤除强噪声干扰的效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种电容触摸按键抗干扰检测装置，包括RC振荡单元、反馈波形接收及滤波单元、基准时钟和按键状态检测单元，其特征在于，所述的检测装置还包括电流基准单元、调制单元、频率计算器、解调单元和信号比较单元；

所述基准时钟的第一输出端连接到所述调制单元的输入端，用于控制调制单元输出调制信号；

所述调制单元的第一输出端连接到所述RC振荡单元的输入端，用于控制使能RC振荡单元，将所述调制信号叠加到RC振荡单元的振荡信号上，以生成反馈信号；

所述RC振荡单元的输出端连接到所述电流基准单元的输入端，用于将所述反馈信号传输给所述电流基准单元，以控制所述电流基准单元输出对应的电流值；

所述电流基准单元的输出端连接到检测端口，用于对检测端口进行充放电，以在检测端口生成反馈波形；

所述反馈波形接收及滤波单元的输入端连接到检测端口，用于接收检测端口的反馈波形并对该波形进行滤波处理；

所述频率计算器的第一输入端连接到所述反馈波形接收及滤波单元的输出端，其第二输入端连接到所述基准时钟的第二输出端，其第一输出端连接到所述按键状态检测单元的第一输入端，用于计算所述滤波后反馈波形的频率，并将该频率与所述基准时钟的频率进行比较，以输出频率波动值给所述按键状态检测单元；

所述解调单元的第一输入端连接到所述基准时钟的第三输出端，所述解调单元的第二输入端连接到所述频率计算器的第二输出端，用于从滤波后反馈波形中检出解调信号；

所述信号比较单元的第一输入端连接到所述调制单元的第二输出端，所述信号比较单元的第二输入端连接到所述解调单元的输出端，其输出端连接到所述按键状态检测单元的第二输入端，用于比较所述调制信号和所述解调信号，并输出信号比较结果给所述按键状态检测单元；

所述按键状态检测单元，用于分析判断并输出触摸按键状态。

2.根据权利要求1所述的一种电容触摸按键抗干扰检测装置，其特征在于，所述电流基准单元具有可配置的电流档位，且所述电流档位分别对应不同的检测端口外接电容值。

3.根据权利要求1所述的一种电容触摸按键抗干扰检测装置，所述调制信号和所述解调信号均为一组二进制数列。

4.一种电容触摸按键抗干扰检测方法，其特征在于，包括：

步骤1，调制生成反馈波形：将调制信号叠加到振荡信号上，形成反馈信号，以在检测端口生成反馈波形；

步骤2，处理解调反馈波形：对所述步骤1中生成的反馈波形进行滤波并计算其频率，将该频率与基准频率进行比较并输出频率波动值，之后在反馈波形中检出解调信号；

步骤3，比较信号：对所述步骤2中的解调信号和所述步骤1中的调制信号进行比较，同时产生信号比较结果；

步骤4，分析判断触摸按键状态：若所述步骤2中的频率波动值超过预设的阈值，且所述步骤3中的信号比较结果为一致，则判断此时触摸按键有被按下，否则判断此时触摸按键没有被按下。

5.根据权利要求4所述的一种电容触摸按键抗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤1.1，根据基准时钟的频率，使调制单元生成调制信号，由调制单元控制使能RC振荡单元，将调制信号叠加到RC振荡单元的振荡信号上，形成反馈信号；

步骤1.2，RC振荡单元将所述步骤1.1中的反馈信号传输给电流基准单元，以控制电流基准单元输出对应的电流值给检测端口充放电，生成反馈波形。

6.根据权利要求4所述的一种电容触摸按键抗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，反馈接收及滤波单元对反馈波形进行滤波，并将滤波后的反馈波形传输给频率计算器；

步骤2.2，由频率计算器计算滤波后反馈波形的频率，将该频率与基准时钟的频率进行比较并输出频率波动值；

步骤2.3，根据基准时钟的分频，从滤波后反馈波形中检出解调信号。

7.根据权利要求6所述的一种电容触摸按键抗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤2.3中基准时钟的分频，其值近似等于所述步骤2.2中频率计算器计算滤波后反馈波形的频率。