CN112039512A - 电容式触摸按键系统及其按键检测方法 - Google Patents

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CN112039512A CN202010918827.6A CN202010918827A CN112039512A CN 112039512 A CN112039512 A CN 112039512A CN 202010918827 A CN202010918827 A CN 202010918827A CN 112039512 A CN112039512 A CN 112039512A
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Abstract

电容式触摸按键系统及其按键检测方法，所述按键检测方法包括：a)预先确定计数参考值；b)将待测电容C和检测电容Cix的电压升至电压源Vx的电压；c)释放检测电容Cix中的电荷；d)由待测电容C向检测电容Cix放电，直至检测电容Cix的电压稳定；e)待测电容C停止向检测电容Cix放电，且计数加1；f)判断待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V是否达到预定的参考电压范围；重复步骤c)、d)、e)、f)，直至待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围；将记录的所述计数的值与所述计数参考值进行对比。本发明能够大幅度的提高扫描速度、并大幅度的节省功耗，同时具有自适应性、也节省了硬件成本以及一个微控制器的引脚。

Description

电容式触摸按键系统及其按键检测方法
技术领域
本发明涉及触摸按键技术领域，特别是涉及一种电容式触摸按键系统及其按键检测方法。
相关术语
TK：Touch Key，触摸按键。
CMP：Comparator，比较器。
IO：Input and Output，输入输出。
Vref：Voltage Reference参考电压，又作基准电压。
SNR：信号与噪声比率，即信噪比。
背景技术
相对于传统的机械按键，电容式触摸按键在使用寿命、外形美观等多方面都具有明显的优势，已经广泛应用于包括家电、消费电子、工业控制、移动设备等领域。
如图1所示，目前，电容式触摸按键主流的按键检测方法通常采用电荷迁移的方式实现，其工作原理大致为：对容值较小的触摸按键感应电容Cp反复充放电和电荷转移，通过电荷转移对容值较大的检测电容Cx反复充电，对检测电容的充电次数进行统计，根据充电次数的变化判断按键是否按下。
也就是说，现有技术中，电容式触摸按键的按键检测方法通常以充电次数作为判断依据，电荷由小电容向大电容迁移。这类方案存在如下多方面的缺陷：
1)在按键检测的过程中通常需要固定占用一个IO端口，使得在IO端口数有限的情况下，用户必须放弃一个触摸端口的使用，用于连接外置充放电电容，由此导致用户使用的便利性降低；
2)外置大电容导致系统功耗较大，不适合低功耗应用；
3)方案的硬件成本较高；
4)电荷从较大容值的Cp向更大容值的Cx迁移，使得扫描速度较慢。
发明内容
本发明解决的技术问题是：电容式触摸按键如何实现低功耗、高扫描速度的按键检测。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种电容式触摸按键系统的按键检测方法，包括：
a)预先确定计数参考值，所述计数参考值为：触摸按键的按压区域未受到按压的情况下，待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围所需的放电次数；
b)将待测电容C和检测电容Cix的电压升至电压源Vx的电压；
c)释放检测电容Cix中的电荷；
d)由待测电容C向检测电容Cix放电，直至检测电容Cix的电压稳定；
e)待测电容C停止向检测电容Cix放电，且计数加1；
f)判断待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V是否达到预定的参考电压范围；
g)若待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V未达到预定的参考电压范围，则重复上述步骤c)、d)、e)、f)，直至待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围；
h)若待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围，则记录计数的值；
i)将记录的所述计数的值与所述计数参考值进行对比，以此来确定触摸按键的按压区域是否受到按压。
可选的，所述将待测电容C和检测电容Cix的电压升至电压源Vx的电压包括：控制第一开关S1闭合、第二开关S2接电压源Vx。
可选的，所述释放检测电容Cix中的电荷包括：控制第一开关S1断开、第二开关S2接地。
可选的，所述由待测电容C向检测电容Cix放电包括：控制第一开关S1闭合、第二开关S2悬空。
可选的，所述待测电容C停止向检测电容Cix放电，且计数加1包括：控制第一开关S1断开，当检测到第一开关断开时，则计数器Cnt的计数自动加1。
可选的，所采用的检测电容的容值小于触控单元自身的寄生电容Cp的1/100。
为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种电容式触摸按键系统，包括：微控制器和触控单元；其中：
微控制器，适于对待测电容C进行反复联通放电、并对待测电容C放电至检测电容Cix的过程进行计数、以及在放电后判断待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V是否达到预定的参考电压范围；其中，检测电容Cix的容值是已知的；
触控单元，适于作为触摸按键的按压区域，所述触控单元位于微控制器外部，并与微控制器内的第一开关S1串联，以触控单元自身的寄生电容Cp与按压区域上的按压物的寄生电容Cf并联后的电容作为所述待测电容C。
可选的，多个检测电容Cix并联。
可选的，当第一开关S1闭合、且第二开关S2悬空时，待测电容C向检测电容Cix放电。
可选的，当第一开关S1闭合、且第二开关S2接电压源Vx时，待测电容C和检测电容Cix的电压均为电压源Vx的电压。
可选的，当第一开关S1断开时，待测电容C与电压源Vx和检测电容Cix之间断路。
可选的，当第一开关S1断开、且第二开关S2接地时，检测电容Cix接地，释放检测电容Cix中的电荷。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
采用容值已知的小电容Ci1～Cin作为检测电容，电荷由外部寄生的待测电容C向微控制器内集成的小电容Ci1～Cin迁移，以放电次数来作为判键依据，在扫描速度、功耗、硬件成本、使用便利、自适应性等多方面都具有明显优势，具体的：
1)根据公式电容电量Q＝CU＝It，其中C为检测电容的容值，U为充电电压，I为充电电流，t为时间；而I＝U/R，其中R为电阻，所以有CU＝(U/R)t，即C＝t/R，t＝CR，可见在R相等的情况下，所需的充电时间t与检测电容的容值C(检测电容的容值在本发明方案中体现为Cix)成正比，充电时间t越短，则扫描速度越快；
同时，本发明方案中电荷从较大容值的C向较小容值的Cix迁移，由于是将待测电容C上的电荷迁移到Cix上，再由Cix对地放电。因此扫描的速度取决于Cix的容值大小，而现有技术中则是电荷从较小容值的Cp向较大容值的Cx迁移，由于是系统对Cp充电，再将Cp上的电荷迁移到Cx上，因此扫描的速度取决于Cp的容值大小，比较两个方案中对扫描速度起决定性作用的电容的容值，由于Cix<Cp，因此本发明方案的扫描速度比现有技术方案的扫描速度快；
2)根据公式电容电量Q＝CU＝It，而功耗P＝UIt，即P＝CU^2，可见在U相等的情况下，功耗P与检测电容的容值C(检测电容的容值在本发明方案中体现为Cix)成正比；
3)容值较小的检测电容的硬件成本较低；
4)检测过程中无需占用IO端口，而现有技术中外置检测电容的检测方案通常检测电容需要固定占用一个IO端口；
5)外部电容的容值因应用系统而变化，本发明能够通过软件配置并选择检测电容Cix的容值以适应外部电容的容值变化(使得电压和计数的值相对固定)实现各类条件的自适应。
由此可见，本发明能够大幅度的提高扫描速度(理论上可以达到100倍以上，具体视检测电容Cix的容值而定)、并大幅度的节省功耗，同时具有自适应性、也节省了硬件成本以及一个微控制器的引脚。
进一步的，在提升待测电容C的电压时接通检测电容Cix，使得待测电容C上的电压值更稳定；在判断待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V是否达到预定的参考电压范围时断开待测电容C，隔离外部噪声，以上两方面均有助于提升信噪比，从而提高按键检测的准确性。
附图说明
图1为现有技术中电容式触摸按键系统的电路图；
图2为本发明实施例中电容式触摸按键系统的电路图；
图3为本发明实施例中电容式触摸按键系统的按键检测方法流程图；
图4为本发明实施例中关于待测电容C上电压V变化的示意图；
图5为本发明实施例中在一个扫描周期内开关电路和放电次数(即计数器Cnt的值)的时序变化图。
具体实施方式
根据背景技术部分的分析可知，现有技术中电容式触摸按键的按键检测方法通常以充电次数作为判断依据，电荷由小电容向大电容迁移。这类方案存在如下多方面的缺陷：
1)在按键检测的过程中通常需要固定占用一个IO端口，使得在IO端口数有限的情况下，用户必须放弃一个触摸端口的使用，用于连接外置充放电电容，由此导致用户使用的便利性降低；
2)外置大电容导致系统功耗较大，不适合低功耗应用；
3)应用方案成本较高；
4)电荷从较大容值的Cp向更大容值的Cx迁移，使得扫描速度较慢。
为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种电容式触摸按键系统及其按键检测方法，采用容值已知的小电容Ci1～Cin作为检测电容，电荷由外部寄生的待测电容C向微控制器内集成的小电容Ci1～Cin迁移，以放电次数来作为判键依据，在扫描速度、功耗、硬件成本、使用便利、自适应性等多方面都具有明显优势。
本发明的方案，在实现按键检测的原理上与现有技术存在明显差异，以放电次数来作为判键依据(现有技术中通常是以充电次数来作为判键依据)，检测过程中，电荷从大电容向小电容迁移(现有技术在检测过程中通常是电荷从大电容向小电容迁移)；上述改进使得本发明的方案能够以容值很小的电容来作为检测电容，如前所述，检测电容的容值与检测所花费的时间成正比、与功耗成正比，因而本发明能够大幅度的提高扫描速度、并大幅度的节省功耗，同时具有自适应性、也节省了硬件成本以及一个微控制器的引脚。
为使本领域技术人员更好地理解和实现本发明，以下参照附图，通过具体实施例进行详细说明。
实施例一
如下所述，本发明实施例提供一种电容式触摸按键系统。
如图2所示，电容式触摸按键系统包括：微控制器和触控单元。其中：
微控制器(图2中方框内即为微控制器)，适于对待测电容C进行反复联通放电、并对待测电容C放电至检测电容Cix的过程进行计数、以及在放电后判断待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V是否达到预定的参考电压范围；其中，检测电容Cix的容值是已知的；
触控单元(图2中方框外即为触控单元)，适于作为触摸按键的按压区域，所述触控单元位于微控制器外部，并与微控制器内的第一开关S1串联，以触控单元自身的寄生电容Cp与按压区域上的按压物的寄生电容Cf并联后的电容作为所述待测电容C。
作为一个具体的实施例中，图2中方框内为微控制器的内部电路，其中内置有检测电容组Ci1～Cin，该检测电容组Ci1～Cin由多个(记为n个)电容并联而成，检测电容组Ci1～Cin中的各个电容分别与开关串联，如图2中所示，即电容Ci1与开关Sci1串联，电容Ci2与开关Sci2串联……电容Cin与开关Scin串联；在检测过程中，能够通过软件的方式来配置并选择以检测电容组Ci1～Cin中的某一个电容作为检测电容Cix、也可以以检测电容组Ci1～Cin中的几个电容并联后作为检测电容Cix。
检测电容组Ci1～Cin整体与第一开关S1、以及微控制器外部的待测电容C串联；其中，待测电容C由触控单元自身的寄生电容Cp与按压区域上的按压物的寄生电容Cf并联而成。
检测电容组Ci1～Cin与第一开关S1之间通过第二开关S2连接电压源Vx和接地。
当第一开关S1闭合、且第二开关S2悬空时，待测电容C向检测电容Cix放电。
当第一开关S1闭合、且第二开关S2接电压源Vx时，待测电容C和检测电容Cix的电压均为电压源Vx的电压。
当第一开关S1断开时，待测电容C与电压源Vx和检测电容Cix之间断路。
当第一开关S1断开、且第二开关S2接地时，检测电容Cix接地，释放检测电容Cix中的电荷。
在采用上述结构的基础上，本实施例能够大幅度的提高扫描速度(理论上可以达到100倍以上，具体视检测电容Cix的容值而定)、并大幅度的节省功耗，同时具有自适应性、也节省了硬件成本以及一个微控制器的引脚。
实施例二
如下所述，本发明实施例提供一种电容式触摸按键系统的按键检测方法。
本发明实施例中电容式触摸按键系统的按键检测方法的实现，可以采用前述实施一中的电容式触摸按键系统的按键检测系统。
参照图3所示的电容式触摸按键系统的按键检测方法流程图，以下通过具体步骤进行详细说明：
S301，预先确定计数参考值。
其中，所述计数参考值为：触摸按键的按压区域未受到按压的情况下，待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围所需的放电次数。
该计数参考值会在后续的步骤S309中与记录的计数的值进行对比，进而确定触摸按键的按压区域是否受到按压。
在前述的实施例一中曾提到，在检测过程中，能够通过软件配置并选择以检测电容组Ci1～Cin中的某一个电容作为检测电容Cix、或者是以检测电容组Ci1～Cin中的几个电容并联后作为检测电容Cix。例如可以在步骤S301之前进行上述配置选择(本发明不限于此)。具体的：
待测电容C由触控单元自身的寄生电容Cp与按压区域上的按压物的寄生电容Cf并联而成。关于所采用的检测电容的容值与触控单元自身的寄生电容Cp的大小关系，在一些实施例中，所采用的检测电容的容值小于触控单元自身的寄生电容Cp的1/100，同时建议所选择的检测电容Cix的容值与按压区域上的按压物(例如用户的手指)的寄生电容Cf的容值相差在一个数量级内(即相差10倍以内)。当然，可以理解的是，上述大小关系只是建议，本发明不限于此。
如前所述，在其它因素不变的情况下，检测所需的充电时间t与检测电容的容值C(检测电容的容值在本发明方案中体现为Cix)成正比，功耗P与检测电容的容值C(检测电容的容值在本发明方案中体现为Cix)成正比。因此，本实施例的方案能够大幅度的提高扫描速度、并大幅度的节省功耗，相对于现有技术而言，扫描速度理论上可以达到100倍以上，具体视检测电容的容值而定。
S302，将待测电容C和检测电容Cix的电压升至电压源Vx的电压。
在具体实施中，通过控制第一开关S1闭合、第二开关S2接电压源Vx，能够将待测电容C和检测电容Cix的电压升至电压源Vx的电压。
由于用户手指的寄生电容会因按压位置力度环境影响而波动较大，因而在提升待测电容C电压的过程中并联检测电容Cix可以使得待测电容C上的电压值更稳定。
也就是说，内部检测电容Cix与外部待测电容C并联，使外部待测电容C的电压更容易稳定(小电容能够滤除高频噪声信号)。
S303，释放检测电容Cix中的电荷。
在具体实施中，通过控制第一开关S1断开、第二开关S2接地，能够释放检测电容Cix中的电荷。
本次放电不计数。
本次只释放检测电容Cix中的电荷，可以为了防止多电压源时，其它内部电路通路里的负压产生，经本次放电操作后，通路里均是已知的电压值，即待测电容C的电压为电压源Vx，检测电容Cix及相连接的通路电压均为地电压(0V)。
S304，由待测电容C向检测电容Cix放电，直至检测电容Cix的电压稳定。
在具体实施中，通过控制第一开关S1闭合、第二开关S2悬空，能够由待测电容C向检测电容Cix放电。
持续该放电过程直至检测电容Cix的电压稳定。
S305，待测电容C停止向检测电容Cix放电，且计数加1。
在具体实施中，通过控制第一开关S1断开，能够停止待测电容C向检测电容Cix放电的过程。
在检测到第一开关断开时，则计数器Cnt的计数自动加1。
由于内部检测电容Cix的电压值更稳定，因而可以断开第一开关S1，有利于提升系统检测按键的SNR(信噪比)。
如图4所示，为本实施例中关于待测电容C上电压V变化的示意图。
S306，判断待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V是否达到预定的参考电压范围。
重复上述步骤S303至S306，直至待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围。
若待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V未达到预定的参考电压范围，则重复上述步骤S303至S306，直至待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围。
S307，记录计数的值。
在待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围的情况下，则记录计数的值。
该计数的值表示待测电容C在经过多少次向检测电容Cix放电后，待测电容C的电压V达到预定的参考电压范围。
如图5所示，为本实施例在一个扫描周期内开关电路和放电次数(即计数器Cnt的值)的时序变化图。
S308，将记录的所述计数的值与所述计数参考值进行对比，以此来确定触摸按键的按压区域是否受到按压。
如前所述，步骤S301中的计数参考值为：触摸按键的按压区域未受到按压的情况下，待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围所需的放电次数。
因此，通过将步骤S307中记录的计数的值与步骤S301中的计数参考值进行比较，能够确定触摸按键的按压区域是否受到按压，从而实现按键检测的目的。
本实施例中的按键检测方法，是用已知量度未知量，已知的是内置的检测电容Cix(如前所述，用户可以根据实际需要来选择合适的Cix)，通过电荷转移对待测电容C进行反复联通放电，直至放电后的电压V是否已经被放电到预定的参考电压范围，并对待测电容C放电至检测电容Cix的过程进行计数，外部触摸按键的按压区域有无手指按压会直接影响到待测电容C的大小，以此来实现按键检测。
与现有技术相比，现有技术中触摸按键系统的电荷迁移方向为小电容向大电容迁移，因此大电容(作为检测电容)上电压值逐步变高直到进入参考电压范围；而本实施例中电荷从大电容向小电容迁移，因此大电容(作为待测电容)上电压V的电压值逐步降低直到进入参考电压范围，可见本实施例中实现按键检测的原理与现有技术中触摸按键系统的按键检测原理明显不同。
通过以上对技术方案的描述可以看出，本实施例中，采用容值已知的小电容Ci1～Cin作为检测电容，电荷由外部寄生的待测电容C向微控制器内集成的小电容Ci1～Cin迁移，以放电次数来作为判键依据，在扫描速度、功耗、硬件成本、使用便利、自适应性等多方面都具有明显优势。
进一步的，在提升待测电容C的电压时接通检测电容Cix，使得待测电容C上的电压值更稳定；在判断待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V是否达到预定的参考电压范围时断开待测电容C，隔离外部噪声，以上两方面均有助于提升信噪比，从而提高按键检测的准确性。
本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中，全部或部分步骤是可以通过程序指令相关的硬件来完成的，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种电容式触摸按键系统的按键检测方法，其特征在于，包括：
a)预先确定计数参考值，所述计数参考值为：触摸按键的按压区域未受到按压的情况下，待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围所需的放电次数；
b)将待测电容C和检测电容Cix的电压升至电压源Vx的电压；
c)释放检测电容Cix中的电荷；
d)由待测电容C向检测电容Cix放电，直至检测电容Cix的电压稳定；
e)待测电容C停止向检测电容Cix放电，且计数加1；
f)判断待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V是否达到预定的参考电压范围；
g)若待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V未达到预定的参考电压范围，则重复上述步骤c)、d)、e)、f)，直至待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围；
h)若待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V达到预定的参考电压范围，则记录计数的值；
i)将记录的所述计数的值与所述计数参考值进行对比，以此来确定触摸按键的按压区域是否受到按压。
2.如权利要求1所述的电容式触摸按键系统的按键检测方法，其特征在于，所述将待测电容C和检测电容Cix的电压升至电压源Vx的电压包括：控制第一开关S1闭合、第二开关S2接电压源Vx。
3.如权利要求1所述的电容式触摸按键系统的按键检测方法，其特征在于，所述释放检测电容Cix中的电荷包括：控制第一开关S1断开、第二开关S2接地。
4.如权利要求1所述的电容式触摸按键系统的按键检测方法，其特征在于，所述由待测电容C向检测电容Cix放电包括：控制第一开关S1闭合、第二开关S2悬空。
5.如权利要求1所述的电容式触摸按键系统的按键检测方法，其特征在于，所述待测电容C停止向检测电容Cix放电，且计数加1包括：控制第一开关S1断开，当检测到第一开关断开时，则计数器Cnt的计数自动加1。
6.如权利要求1所述的电容式触摸按键系统的按键检测方法，其特征在于，所采用的检测电容的容值小于触控单元自身的寄生电容Cp的1/100。
7.一种电容式触摸按键系统，其特征在于，包括：微控制器和触控单元；其中：
微控制器，适于对待测电容C进行反复联通放电、并对待测电容C放电至检测电容Cix的过程进行计数、以及在放电后判断待测电容C在向检测电容Cix放电后的电压V是否达到预定的参考电压范围；其中，检测电容Cix的容值是已知的；
触控单元，适于作为触摸按键的按压区域，所述触控单元位于微控制器外部，并与微控制器内的第一开关S1串联，以触控单元自身的寄生电容Cp与按压区域上的按压物的寄生电容Cf并联后的电容作为所述待测电容C。
8.如权利要求7所述的电容式触摸按键系统，其特征在于，微控制器包括由多个电容并联而成的检测电容组Ci1～Cin，在检测过程中，能够通过软件配置并选择以检测电容组Ci1～Cin中的某一个电容作为检测电容Cix、或者是以检测电容组Ci1～Cin中的几个电容并联后作为检测电容Cix。
9.如权利要求7所述的电容式触摸按键系统，其特征在于，当第一开关S1闭合、且第二开关S2悬空时，待测电容C向检测电容Cix放电。
10.如权利要求7所述的电容式触摸按键系统，其特征在于，当第一开关S1闭合、且第二开关S2接电压源Vx时，待测电容C和检测电容Cix的电压均为电压源Vx的电压。
11.如权利要求7所述的电容式触摸按键系统，其特征在于，当第一开关S1断开时，待测电容C与电压源Vx和检测电容Cix之间断路。
12.如权利要求7所述的电容式触摸按键系统，其特征在于，当第一开关S1断开、且第二开关S2接地时，检测电容Cix接地，释放检测电容Cix中的电荷。
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