專利名稱：電容式觸摸按鍵系統(tǒng)及其微控制單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及觸摸按鍵制造領(lǐng)域，特別是涉及一種基于微控制單元的電容式觸摸按 鍵系統(tǒng)及其微控制單元。
背景技術(shù)：
觸摸控制根據(jù)其原理不同，可以分為電波式、電阻式、光學(xué)式、電容式、電感式和電 磁式等多種控制方式。每種控制方式有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合。其中電容式觸摸按鍵 由于其電路相對(duì)簡單，只需要一個(gè)微處理器和一些外圍電路就可實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的觸摸檢測(cè)和 控制，因而適用于許多家用電器。電容式觸摸按鍵的基本原理就是一個(gè)不斷充電和放電的張弛振蕩器。如果不觸摸 開關(guān)，張弛振蕩器有一個(gè)固定的充放電周期，頻率是可以測(cè)量的。如果用手指接觸開關(guān)，就 會(huì)增加觸摸按鍵等效電容，充放電周期就會(huì)變長，頻率就會(huì)相應(yīng)減少。所以，通過測(cè)量充放 電周期或頻率的變化，就可以偵測(cè)觸摸動(dòng)作?，F(xiàn)有的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)充放電電路，需利用若干個(gè)電阻和至少一 個(gè)充放電電容來實(shí)現(xiàn)外圍電路，例如，申請(qǐng)?zhí)枮?00810006684.0的中國專利申請(qǐng)便揭露了 一種由電阻及充放電電容構(gòu)成的外圍電路。這種外圍電路由于采用了較多的元器件，往往 會(huì)帶來溫漂大，成本高，調(diào)節(jié)復(fù)雜等問題。另外，觸摸按鍵的性能優(yōu)劣的關(guān)鍵評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是抗干擾能力和靈敏度?，F(xiàn)有的觸摸 按鍵系統(tǒng)是對(duì)按鍵等效電容的絕對(duì)值進(jìn)行數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換(例如，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換，CDC)及處 理，并以此作為判鍵的基準(zhǔn)。而實(shí)驗(yàn)表明，印刷電路板(PCB)本身的雜散電容和布局會(huì)直接 影響到等效電容的取值大小，繼而影響到判鍵的靈敏度。因此，采用基于觸摸按鍵等效電容 絕對(duì)值的判鍵方法的代價(jià)是對(duì)PCB板更高的要求和在軟件處理上更加復(fù)雜的調(diào)整算法(例 如，基于雜散電容偏置值的調(diào)整算法)。可見，現(xiàn)有的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，外圍電路除按鍵以外，還需要若干電阻和充放 電電容，這種外圍電路較為復(fù)雜，且?guī)砹藴仄?，成本高，調(diào)節(jié)復(fù)雜等問題。另外，現(xiàn)有的 電容式觸摸按鍵系統(tǒng)采用基于觸摸按鍵等效電容絕對(duì)值的判鍵方法，其對(duì)PCB板的要求較 高，且在軟件處理上需要更加復(fù)雜的調(diào)整算法，因而對(duì)軟件資源的要求也較高，故而系統(tǒng)在 功能實(shí)現(xiàn)上難度大且成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有電容式觸摸按鍵系 統(tǒng)由于外圍電路復(fù)雜而導(dǎo)致的溫漂大，成本高，調(diào)節(jié)復(fù)雜等問題。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種電容式觸摸按鍵微控制單元，其包括比較 器，其正向輸入端耦接一參考信號(hào)；開關(guān)電路，包括第一邏輯控制開關(guān)、第二邏輯控制開關(guān) 與第三邏輯控制開關(guān)，其中第一邏輯控制開關(guān)和第二邏輯控制開關(guān)以相同頻率交替呈現(xiàn)閉 合和斷開狀態(tài)，第三邏輯控制開關(guān)受控于比較器的輸出信號(hào)；充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊，信號(hào)連接所述比較器的輸出端；所述比較器的負(fù)向輸入端耦接一充放電電容端；所述比較器的 負(fù)向輸入端通過第一邏輯控制開關(guān)與第二邏輯控制開關(guān)耦接一電源供應(yīng)端；所述比較器的 負(fù)向輸入端通過第三邏輯控制開關(guān)耦接一接地端；所述比較器的負(fù)向輸入端通過第二邏輯 控制開關(guān)耦接多個(gè)觸摸按鍵端。進(jìn)一步的，所述的電容式觸摸按鍵微控制單元還包括時(shí)鐘延時(shí)模塊，連接于所述 比較器輸出端與充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊之間，且比較器的輸出信號(hào)通過該時(shí)鐘延時(shí)模塊后 控制所述第三邏輯控制開關(guān)。進(jìn)一步的，所述參考信號(hào)為多檔位可調(diào)信號(hào)。進(jìn)一步的，所述第一邏輯控制開關(guān)和第二邏輯控制開關(guān)受控于同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。本發(fā)明另提供一種電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，包括微控制單元和外圍電路，所述外圍 電路包括多個(gè)觸摸按鍵和一充放電電容；所述微控制單元包括比較器，其正向輸入端耦 接一參考信號(hào)；開關(guān)電路，包括第一邏輯控制開關(guān)、第二邏輯控制開關(guān)與第三邏輯控制開 關(guān)，其中第一邏輯控制開關(guān)和第二邏輯控制開關(guān)以相同頻率交替呈現(xiàn)閉合和斷開狀態(tài)，第 三邏輯控制開關(guān)受控于比較器的輸出信號(hào)；充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊，信號(hào)連接所述比較器 的輸出端；所述比較器的負(fù)向輸入端通過第一邏輯控制開關(guān)與第二邏輯控制開關(guān)耦接一電 源供應(yīng)端；所述比較器的負(fù)向輸入端通過第三邏輯控制開關(guān)耦接一接地端；所述比較器的 負(fù)向輸入端通過第二邏輯控制開關(guān)耦接所述多個(gè)觸摸按鍵及所述充放電電容。進(jìn)一步的，所述微控制單元還包括時(shí)鐘延時(shí)模塊，連接于所述比較器輸出端與充 電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊之間，且比較器的輸出信號(hào)通過該時(shí)鐘延時(shí)模塊后控制所述第三邏輯 控制開關(guān)。進(jìn)一步的，所述參考信號(hào)為多檔位可調(diào)信號(hào)。進(jìn)一步的，所述第一邏輯控制開關(guān)和第二邏輯控制開關(guān)受控于同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。進(jìn)一步的，所述充放電電容為可調(diào)電容。進(jìn)一步的，所述充放電電容的可調(diào)范圍為2. 2nF至44nF。本發(fā)明的按鍵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的按鍵系統(tǒng)相比，外圍電路簡單，無需利用電阻即可實(shí) 現(xiàn)，溫漂小，調(diào)節(jié)簡單，成本低。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)的微控制單元的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的觸摸按鍵的外圍電路的一種接線方式示意圖；圖3為本發(fā)明一較佳實(shí)施例所提供的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)的微控制單元的結(jié)構(gòu) 框圖；圖4，其為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的電容式觸摸按鍵判鍵方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作 進(jìn)一步的說明。本發(fā)明基于電容的充放電原理，在電容式觸摸按鍵系統(tǒng)的微控制單元內(nèi)集成了三 個(gè)邏輯控制開關(guān)，通過這些邏輯控制開關(guān)的開與閉來控制外圍電路中的充放電電容的充電與放電，從而無需在外圍電路設(shè)置電阻，減少了外圍電路的復(fù)雜度，解決了現(xiàn)有電容式觸摸 按鍵系統(tǒng)溫漂大，成本高，調(diào)節(jié)復(fù)雜等問題。具體請(qǐng)參考圖1，其為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。 如圖所示，該系統(tǒng)的微控制單元(MCU) 100包括比較器110、開關(guān)電路120和充電時(shí)間數(shù)據(jù)處 理模塊130。其中開關(guān)電路120包括第一邏輯控制開關(guān)SW1、第二邏輯控制開關(guān)SW2與第三 邏輯控制開關(guān)SW3，其中第一邏輯控制開關(guān)SWl和第二邏輯控制開關(guān)SW2以相同頻率交替呈 現(xiàn)閉合和斷開狀態(tài)，第三邏輯控制開關(guān)SW3受控于比較器110的輸出信號(hào)。比較器的正向 輸入端耦接一參考信號(hào)Vref ；其負(fù)向輸入端耦接一充放電電容端PADC ；并通過第一邏輯控 制開關(guān)SWl與第二邏輯控制開關(guān)SW2耦接一電源供應(yīng)端，通過第三邏輯控制開關(guān)SW3耦接 一接地端，通過第二邏輯控制開關(guān)SW2耦接多個(gè)觸摸按鍵端PAD。充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊 130信號(hào)連接比較器110的輸出端，以處理充放電電容220的充電時(shí)間。以上電容式觸摸按鍵系統(tǒng)基于電容的充放電原理，由微控制單元100內(nèi)部的第一 邏輯控制開關(guān)SW1、第二邏輯控制開關(guān)SW2和觸摸按鍵等效電容Cxn組成等效電阻Rx，與充 放電電容220構(gòu)成RC充放電電路，由內(nèi)建比較器110的輸出狀態(tài)控制內(nèi)部第三邏輯控制開 關(guān)SW3，實(shí)現(xiàn)充放電電容220的放電。其中，在觸摸按鍵功能打開后，正常工作的情況下，第 三邏輯控制開關(guān)SW3的高電平維持時(shí)間即為按鍵前后充放電電容220的充電時(shí)間，也是SW3 維持?jǐn)嚅_狀態(tài)的時(shí)間。請(qǐng)參考圖2，其為以上觸摸按鍵的外圍電路的一種接線方式實(shí)例，其中TKl至TK20 代表其外圍20個(gè)觸摸按鍵，C為外圍充放電電容。從圖中可以看出，采用以上結(jié)構(gòu)后，外圍 電路無需再設(shè)置電阻，電路成本低，且大大簡化了外圍電路的布局和設(shè)計(jì)。而且，微控制單 元內(nèi)部功能電路實(shí)現(xiàn)簡單，僅需三個(gè)邏輯控制開關(guān)，一個(gè)比較器和充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊 便可以實(shí)現(xiàn)。在上面的描述中已經(jīng)知道，第一邏輯控制開關(guān)SWl和第二邏輯控制開關(guān)SW2需以 相同頻率交替呈現(xiàn)閉合和斷開狀態(tài)。為了準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)這種控制，可以在微控制單元100內(nèi) 利用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)fs來實(shí)現(xiàn)對(duì)第一邏輯控制開關(guān)SWl和第二邏輯控制開關(guān)SW2的控制。 當(dāng)然，本發(fā)明在此不以此為限，也可以利用不同的時(shí)鐘信號(hào)來控制，但利用同一時(shí)鐘信號(hào)具 有控制相對(duì)簡單，實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)。另外，需要提及的是，以上比較器110的正向輸入端所耦接的參考信號(hào)Vref可以 設(shè)置為多檔位可調(diào)，這樣，有利于提高觸摸按鍵對(duì)環(huán)境的應(yīng)性。例如，參考信號(hào)Vref具有 1/2VDD, 3/5VDD, 4/5VDD, 9/10VDD四個(gè)可調(diào)檔位，選取1/2VDD檔，當(dāng)前供電電壓為5V時(shí)，比 較器正向端參考電壓為2. 5V。在一較佳實(shí)施例中，可以在比較器110的輸出端增設(shè)時(shí)鐘延時(shí)模塊，用于將比較 器110輸出端信號(hào)進(jìn)行延時(shí)輸出，以確保比較器110在短時(shí)脈沖干擾下的有效輸出。具體， 請(qǐng)參考圖3，其為本發(fā)明一較佳實(shí)施例所提供的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖所 示，該系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)置有時(shí)鐘延時(shí)模塊140，其連接于比較器110輸出端與充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理 邏輯130之間，且比較器110的輸出信號(hào)通過該時(shí)鐘延時(shí)模塊140后控制第三邏輯控制開 關(guān) SW3。下面結(jié)合圖1與圖2來整體描述該觸摸按鍵系統(tǒng)。如圖所示，該系統(tǒng)包括微控制 單元100和外圍電路。其中外圍電路包括多個(gè)觸摸按鍵210和一個(gè)充放電電容220。微控制單元100則具有以上實(shí)施例所描述的結(jié)構(gòu)。需要提及的是，在較佳的實(shí)施例中，充放電電 容220為可調(diào)電容，這樣，可以方便用戶根據(jù)環(huán)境需要提高判鍵靈敏度。例如，其可調(diào)范圍 可以為2. 2nF至44nF。下面詳細(xì)描述以上觸摸按鍵系統(tǒng)的判鍵原理，即充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊130的數(shù) 據(jù)處理方法。實(shí)施例一將現(xiàn)有的觸摸按鍵判鍵方法，即基于按鍵等效電容的絕對(duì)值的方法，應(yīng)用于以上 實(shí)施例所提供的觸摸按鍵系統(tǒng)中。由于這種判鍵方法為現(xiàn)有技術(shù)，且有不同的數(shù)據(jù)處理方 式(例如，申請(qǐng)?zhí)枮?00810006684. 0的中國專利申請(qǐng)便揭露了一種實(shí)現(xiàn)方式)，因此，在此 僅作簡單概述。如圖1與圖2所示，Cx為觸摸按鍵等效電容，與邏輯控制開關(guān)SW1、SW2組成開關(guān) 電容電路。其中，邏輯控制開關(guān)SWl和SW2在MCU內(nèi)部可以由同一個(gè)時(shí)鐘控制，且它們以相 同頻率，固定的時(shí)間差交替呈現(xiàn)閉合和斷開狀態(tài)。根據(jù)開關(guān)電容特性，邏輯控制開關(guān)SW1、 SW2和觸摸按鍵等效電容Cx可等效為電阻Rx。且滿足Rx = l/(fsXCx)(1)其中fs為觸摸按鍵系統(tǒng)的開關(guān)頻率，其可周期性切換邏輯控制開關(guān)SW1、SW2。供電電源VDD通過開關(guān)等效電阻Rx對(duì)充放電電容220進(jìn)行周期性充放電。按鍵 按下前后，相應(yīng)按鍵上的等效電容值發(fā)生的變化會(huì)引起開關(guān)等效電阻Rx變化，從而導(dǎo)致在 充放電電容220充電時(shí)間上的差異。Rx與充放電電容220充電時(shí)間的關(guān)系如下式所示 t=Ln(VDD/VV-Vref)*Cl/fs*Cx( 2 )可見，該充電時(shí)間的變化便可以作為按鍵是否按下的判斷依據(jù)。因而，現(xiàn)有的判鍵 方法需設(shè)定一個(gè)充放電電容充電時(shí)間閾值T。當(dāng)按鍵沒有按下時(shí)，觸摸按鍵有一個(gè)基本電 容，MCU可以記錄對(duì)該基本電容充電的充電時(shí)間。當(dāng)按鍵按下時(shí)，人體的電容會(huì)和觸摸按鍵 的電容發(fā)生耦合，使得觸摸按鍵的電容變大，導(dǎo)致其充電時(shí)間變成長。同理，MCU檢測(cè)到充 電時(shí)間變化到一定閾值時(shí)，判斷有按鍵按下。同理，也可以通過放電時(shí)間來進(jìn)行判鍵，在此 不再贅述。在背景技術(shù)中已經(jīng)提及這種方法的抗干擾能力和靈敏度不是特別理想。因?yàn)椋?是對(duì)按鍵等效電容絕對(duì)值進(jìn)行數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換及處理，并以此作為判鍵的基準(zhǔn)。而試驗(yàn)證明， PCB板本身的雜散電容和布局會(huì)直接影響到等效電容的取值大小，繼而影響到判鍵的靈敏 度。因此，采用基于觸摸按鍵等效電容絕對(duì)值的判鍵方法代價(jià)是對(duì)PCB板更高的要求和在 軟件處理上增加復(fù)雜的基于雜散電容offset值的調(diào)整算法。系統(tǒng)在功能上實(shí)現(xiàn)難度大且 成本高。為此，在以下實(shí)施例提供了一種基于按鍵等效電容相對(duì)值的判鍵方法，以提供判 鍵的靈敏度，提高觸摸按鍵系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)降低其實(shí)現(xiàn)難度與成本。具體如下實(shí)施例二 同樣，如圖1與圖2所示，Cx為觸摸按鍵等效電容，與邏輯控制開關(guān)SW1、SW2組成 開關(guān)電容電路。其中，邏輯控制開關(guān)SWl和SW2在MCU內(nèi)部可以由同一個(gè)時(shí)鐘控制，且它們 以相同頻率，固定的時(shí)間差交替呈現(xiàn)閉合和斷開狀態(tài)。根據(jù)開關(guān)電容特性，邏輯控制開關(guān)SffU SW2和觸摸按鍵等效電容Cx可等效為電阻Rx。且滿足Rx = l/(fsXCx)(1)其中fs為觸摸按鍵系統(tǒng)的開關(guān)頻率，其可周期性切換邏輯控制開關(guān)SW1、SW2。供電電源VDD通過開關(guān)等效電阻Rx對(duì)充放電電容220進(jìn)行周期性充電。按鍵按 下前后，相應(yīng)按鍵上的等效電容值發(fā)生的變化會(huì)引起開關(guān)等效電阻Rx變化，從而導(dǎo)致在充 放電電容220充電時(shí)間上的差異。Rx與充放電電容220充電時(shí)間的關(guān)系如下式所示
t Γ , VDD , Cl^Ln(VDD~VrQf)Xl^(2)其中Vref為比較器正端參考輸入電壓。初始狀態(tài)時(shí)，內(nèi)建的比較器110正向輸入端參考電壓Vref高于負(fù)向輸入端，故輸 出高電平。當(dāng)充放電電容220充電至負(fù)向輸入端電壓高于正向輸入端參考電壓Vref時(shí)，比 較器輸出低電平。對(duì)應(yīng)比較器110的輸出，系統(tǒng)通過邏輯控制開關(guān)SW3控制充放電電容220 端電壓的放電。比較器輸出高電平的維持時(shí)間即為充放電電容220的充電時(shí)間，也是SW3 維持?jǐn)嚅_狀態(tài)的時(shí)間。在本實(shí)施方案中，MCU內(nèi)部有對(duì)邏輯控制開關(guān)SW3進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過計(jì)數(shù)值(CLK數(shù)， 即充電時(shí)間有多少個(gè)時(shí)鐘周期)來反映充放電電容220的充電時(shí)間。計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)與RC 充放電電路的邏輯開關(guān)SW1、SW2時(shí)鐘信號(hào)可以由同1個(gè)時(shí)鐘源提供，例如系統(tǒng)時(shí)鐘，以提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中，計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)往往為時(shí)鐘源信號(hào)，邏輯開關(guān)SW1、SW2時(shí)鐘信號(hào)(開關(guān) 頻率fs)則由時(shí)鐘源信號(hào)經(jīng)過分頻得到，例如4分頻、8分頻等。需要提及的是，圖2中的比較器輸出端的時(shí)鐘延時(shí)模塊140用于將比較器110輸 出端信號(hào)進(jìn)行可調(diào)的延時(shí)輸出，以確保系統(tǒng)中比較器110在短時(shí)脈沖干擾下的有效輸出。 延遲時(shí)間可調(diào)方便用戶在不同的工作頻率下，針對(duì)不同性質(zhì)的干擾脈沖進(jìn)行選擇。通過該 方式可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在本系統(tǒng)中，當(dāng)初始狀態(tài)充電電壓為OV時(shí)，按鍵前后對(duì)應(yīng)的充放電電容220充電
時(shí)間與電容的變化量Δ Cx存在如下關(guān)系
( 3 ) 其中tl，t2為分別為按鍵前后對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間，上式可進(jìn)一步簡化為
(4)根據(jù)(3)和(4)式可得 這個(gè)K相當(dāng)于一個(gè)熵系數(shù)，反應(yīng)了按鍵前后觸摸按鍵等效電容的變化與其所導(dǎo)致 的充電時(shí)間差異之間的關(guān)系。K的真實(shí)值很復(fù)雜，但實(shí)際應(yīng)用中，并不需要通過真實(shí)值來反映在按鍵前后觸摸按 鍵等效電容的變化所導(dǎo)致的充電時(shí)間差異。因此考慮以下改進(jìn)方案由用戶根據(jù)需要自行設(shè)定K值，在每次掃描按鍵后均由硬件將該值K除以充放電 電容220充電時(shí)間(即邏輯控制開關(guān)SW3保持?jǐn)嚅_狀態(tài)時(shí)間的計(jì)數(shù)值)，即可得到反映觸摸按鍵等效電容的相對(duì)量(采集值)。比較按鍵前后相對(duì)量(采集值)的差值就可以進(jìn)行后 續(xù)判鍵處理。具體，請(qǐng)參考圖4，其為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的電容式觸摸按鍵判鍵方法的 流程示意圖。如圖所示，包括如下步驟步驟Si:設(shè)定一熵系數(shù)；步驟S2 掃描按鍵，得到充放電電容第一充電時(shí)間的計(jì)數(shù)值；步驟S3 利用熵系數(shù)除以第一充電時(shí)間的計(jì)數(shù)值，得到反映觸摸按鍵等效電容的 第一相對(duì)量；步驟S4 再次掃描按鍵，得到充放電電容第二充電時(shí)間的計(jì)數(shù)值；步驟S5 利用熵系數(shù)除以第二充電時(shí)間的計(jì)數(shù)值，得到反映觸摸按鍵等效電容的 第二相對(duì)量；步驟S6 求取第二相對(duì)量與第一相對(duì)量的差值，并利用該差值進(jìn)行判鍵。可見，以上判鍵方法通過求取按鍵前后充放電電容的充電時(shí)間相對(duì)變化量來對(duì)按 鍵進(jìn)行判斷，因此，不同的PCB板按鍵上的雜散電容值的差異不會(huì)對(duì)判鍵造成影響。采用這 種方法，不僅實(shí)現(xiàn)簡單，而且大大降低了對(duì)PCB板和軟件算法處理的要求和難度。僅需通過 硬件實(shí)現(xiàn)高位除法運(yùn)算，即可將充電時(shí)間轉(zhuǎn)換為觸摸按鍵等效采集值的數(shù)據(jù)處理，操作簡 單，快速。在以上步驟S6中，判鍵的處理過程，同樣可以采取閾值判斷的方式。S卩，設(shè)定一個(gè) 閾值，當(dāng)?shù)诙鄬?duì)量與第一相對(duì)量的差值達(dá)到或高于這一閾值時(shí)，判斷按鍵按下；當(dāng)所述差 值低于這一閾值時(shí)，判斷按鍵未按下。下面以Vdd = 5V，Vref = l/2Vdd = 2. 5V，系統(tǒng)采樣頻率為時(shí)鐘源信號(hào)(頻率 8MHz)，Cl = 6. SnF為例來加以說明。如表1所示，其為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的fs為時(shí)鐘源信號(hào)的2分 頻、4分頻和8分頻時(shí)對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間計(jì)數(shù)值(CLK數(shù))以及求得的觸摸按鍵等效電容的相 對(duì)量(采集值)，其中tl和t2分別代表按鍵前后充電時(shí)間計(jì)數(shù)值，At則代表計(jì)數(shù)值差值; Cxa和Cxb分別代理按鍵前后觸摸按鍵等效電容的相對(duì)量，Δ Cx則代表相對(duì)量差值。表1 這里需要說明的是，Cxa, Cxb與Δ Cx的實(shí)際測(cè)量值如括號(hào)外所示，理論計(jì)算所得 的值如括號(hào)內(nèi)所示，可以看出實(shí)測(cè)值與理論值相差很小。如表所示，當(dāng)fs = 4MHz時(shí)，按鍵前測(cè)得的充電時(shí)間計(jì)數(shù)值為877，按鍵后測(cè)得的充 電時(shí)間計(jì)數(shù)值為805。在本實(shí)施例中設(shè)定K為69C79CH(十六進(jìn)制)，相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值為 6932380。利用K除以tl，便可以得到按鍵前觸摸按鍵等效電容的相對(duì)量Cxa = 7904 ；同樣 利用K除以t2，便可以得到按鍵后觸摸按鍵等效電容的相對(duì)量Cxb = 8611。如此，便可以計(jì)算出按鍵前后的相對(duì)量差值= 707。在本實(shí)施例中，設(shè)定閾值為150H(十六進(jìn)制)， 相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值為336。顯然，此時(shí)，ACx的值大于閾值336，故判斷按鍵按下。同理，可 以對(duì)fs = 2MHz和fs = IMHz的情況做出判斷，在此，不再贅述。需要說明的是，以上閾值 的選取不是絕對(duì)的，它與按鍵采集值有關(guān)，而按鍵采集值會(huì)因外界環(huán)境(例如不同人的手 指及觸摸按鍵上覆蓋物的材質(zhì)、厚度等差異)不同而各異。舉例而言，當(dāng)觸摸按鍵上覆蓋晶 硅板時(shí)，對(duì)應(yīng)材質(zhì)的介電常數(shù)較大，板子厚度較薄，則判鍵閾值可以取至200H左右，而這個(gè) 閾值對(duì)其他材質(zhì)不一定適用。故，本發(fā)明在此對(duì)閾值設(shè)定不做任何限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以根據(jù)客戶PCB板的具體環(huán)境進(jìn)行內(nèi)部設(shè)置。需要提及的是，由于Cx和t呈反比關(guān)系，同樣Δ Cx與At也成反比關(guān)系，因此當(dāng) 按鍵前后充電時(shí)間差(At = t2-tl)較小時(shí)，容易導(dǎo)致較大的量化誤差。因此，較佳的，將 K設(shè)計(jì)成可調(diào)，用戶即可根據(jù)不同的Δ t調(diào)整被除數(shù)達(dá)到減小量化誤差的目的，以增強(qiáng)環(huán)境 的適應(yīng)性。為便于用戶根據(jù)需要調(diào)節(jié)，將采樣頻率劃分為多檔可選，例如2分頻、4分頻、8分 頻、16分頻、32分頻等全部或部分。另外，由上表可知，fs所取的分頻越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的CLK數(shù)越大。在這種情況下，按 采集值取16位來算，設(shè)置的K值至少需達(dá)到24位。為保留一定的取值余量，提高采集值 的分辨率，需將實(shí)際的采集值進(jìn)行放大，因此，在本實(shí)施例中，系統(tǒng)為用戶提供的可設(shè)置的K 值定位28位。以上方法，即通過內(nèi)部硬件(充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊130)完成28位除法， 即可得到精確的采集值以提供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。可見，利用以上方法可以避免軟件中相關(guān)的乘除法及浮點(diǎn)運(yùn)算。這樣可以大大減 少程序存儲(chǔ)區(qū)的占用空間和軟件算法的復(fù)雜度，同時(shí)提高了系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速 度。該方式還有利于增加每輪的判鍵數(shù)或開辟更復(fù)雜的組合判鍵功能。以上實(shí)施例所提供的判鍵方法不僅可以用于以上實(shí)施例所提供的按鍵系統(tǒng)，也可 以用于其他的按鍵系統(tǒng)，本發(fā)明在此不以此為限，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)以上提示，設(shè)計(jì)按 鍵系統(tǒng)的充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊，利用以上判鍵方式對(duì)按鍵的狀態(tài)進(jìn)行判斷。下面將以上按鍵系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)系統(tǒng)作比較，陳述如下1、外圍電路傳統(tǒng)的電容式觸摸按鍵外圍電路包含若干個(gè)電阻和1個(gè)充放電電 容，實(shí)現(xiàn)充放電電路，溫漂大，成本高，調(diào)節(jié)復(fù)雜。而本發(fā)明的按鍵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的按鍵系統(tǒng)相比，外圍電路簡單，無需利用電阻即可 實(shí)現(xiàn)，溫漂小，調(diào)節(jié)簡單，成本低。2、用戶只需調(diào)整外部充電電容，即可根據(jù)環(huán)境要求調(diào)整按鍵靈敏度，且調(diào)整范圍 寬裕。(2. 2nF 44nF范圍可調(diào)，在IOMHz的振蕩器工作頻率下，采用該系統(tǒng)能保證分辨出 充電時(shí)間Ius的變化)。下面將以上判鍵方法的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)的判鍵方法作比較，陳述如下1、性能上的改進(jìn)傳統(tǒng)方案觸摸按鍵的性能優(yōu)劣最關(guān)鍵的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是抗干擾能力和靈敏度。傳統(tǒng) 的觸摸按鍵系統(tǒng)是對(duì)按鍵等效電容絕對(duì)值進(jìn)行數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換及處理，并以此作為判鍵的基 準(zhǔn)。而試驗(yàn)證明，PCB板本身的雜散電容和布局會(huì)直接影響到等效電容的取值大小，繼而影 響到判鍵的靈敏度。因此，采用基于觸摸按鍵等效電容絕對(duì)值的判鍵方法代價(jià)是對(duì)PCB板更高的要求和在軟件處理上增加復(fù)雜的基于雜散電容offset值的調(diào)整算法。系統(tǒng)在功能 上實(shí)現(xiàn)難度大且成本高。本發(fā)明與傳統(tǒng)的判鍵方式相比，本判鍵方法是根據(jù)RC電路中電容的充放電原 理，通過求取手指在按鍵前后，充放電電容Cl的充電時(shí)間相對(duì)變化量來對(duì)按鍵進(jìn)行判斷 的。因此，不同的PCB板PAD上雜散電容值的差異是不會(huì)對(duì)判鍵造成影響的。采用這種方 法，不僅實(shí)現(xiàn)簡單，而且大大降低了對(duì)PCB板和軟件算法處理的要求和難度。2、在硬件處理上的改進(jìn)傳統(tǒng)方案觸摸按鍵的處理速度受到每輪判鍵的通道數(shù)和軟件算法的限制，傳統(tǒng) 方案受到復(fù)雜的軟件處理算法的限制，判鍵個(gè)數(shù)有限。本發(fā)明MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)處理通過硬件實(shí)現(xiàn)，判鍵前只需用戶設(shè)置K值，高位的除法 運(yùn)算即可得到需要的判鍵比較值。避免了軟件中相關(guān)的乘除法及浮點(diǎn)運(yùn)算。這樣可以大大 減少程序存儲(chǔ)區(qū)的占用空間和軟件算法的復(fù)雜度，同時(shí)提高了系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速 度。該方式還有利于增加每輪的判鍵數(shù)或開辟更復(fù)雜的組合判鍵功能。
權(quán)利要求
一種電容式觸摸按鍵微控制單元，其特征是，包括比較器，其正向輸入端耦接一參考信號(hào)；開關(guān)電路，包括第一邏輯控制開關(guān)、第二邏輯控制開關(guān)與第三邏輯控制開關(guān)，其中第一邏輯控制開關(guān)和第二邏輯控制開關(guān)以相同頻率交替呈現(xiàn)閉合和斷開狀態(tài)，第三邏輯控制開關(guān)受控于比較器的輸出信號(hào)；充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊，信號(hào)連接所述比較器的輸出端；所述比較器的負(fù)向輸入端耦接一充放電電容端；所述比較器的負(fù)向輸入端通過第一邏輯控制開關(guān)與第二邏輯控制開關(guān)耦接一電源供應(yīng)端；所述比較器的負(fù)向輸入端通過第三邏輯控制開關(guān)耦接一接地端；所述比較器的負(fù)向輸入端通過第二邏輯控制開關(guān)耦接多個(gè)觸摸按鍵端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸摸按鍵微控制單元，其特征是，還包括時(shí)鐘延時(shí)模塊，連接于所述比較器輸出端與充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊之間，且比較器的 輸出信號(hào)通過該時(shí)鐘延時(shí)模塊后控制所述第三邏輯控制開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸摸按鍵微控制單元，其特征是，所述參考信號(hào)為多 檔位可調(diào)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸摸按鍵微控制單元，其特征是，所述第一邏輯控制 開關(guān)和第二邏輯控制開關(guān)受控于同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。
5. 一種電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，包括微控制單元和外圍電路，其特征是，所述外圍電路包 括多個(gè)觸摸按鍵和一充放電電容；所述微控制單元包括比較器，其正向輸入端耦接一參考信號(hào)；開關(guān)電路，包括第一邏輯控制開關(guān)、第二邏輯控制開關(guān)與第三邏輯控制開關(guān)，其中第一 邏輯控制開關(guān)和第二邏輯控制開關(guān)以相同頻率交替呈現(xiàn)閉合和斷開狀態(tài)，第三邏輯控制開 關(guān)受控于比較器的輸出信號(hào)；充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊，信號(hào)連接所述比較器的輸出端；所述比較器的負(fù)向輸入端通過第一邏輯控制開關(guān)與第二邏輯控制開關(guān)耦接一電源供 應(yīng)端；所述比較器的負(fù)向輸入端通過第三邏輯控制開關(guān)耦接一接地端； 所述比較器的負(fù)向輸入端通過第二邏輯控制開關(guān)耦接所述多個(gè)觸摸按鍵及所述充放 電電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，其特征是，所述微控制單元還包括 時(shí)鐘延時(shí)模塊，連接于所述比較器輸出端與充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊之間，且比較器的輸出信號(hào)通過該時(shí)鐘延時(shí)模塊后控制所述第三邏輯控制開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，其特征是，所述參考信號(hào)為多檔位可調(diào)信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，其特征是，所述第一邏輯控制開關(guān)和 第二邏輯控制開關(guān)受控于同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，其特征是，所述充放電電容為可調(diào)電容。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，其特征是，所述充放電電容的可調(diào)范 圍為 2. 2nF 至 44nF。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種電容式觸摸按鍵系統(tǒng)及其微控制單元，其包括比較器，正向輸入端耦接一參考信號(hào)；開關(guān)電路，包括第一邏輯控制開關(guān)、第二邏輯控制開關(guān)與第三邏輯控制開關(guān)，其中第一邏輯控制開關(guān)和第二邏輯控制開關(guān)以相同頻率交替呈現(xiàn)閉合和斷開狀態(tài)，第三邏輯控制開關(guān)受控于比較器的輸出信號(hào)；充電時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊，信號(hào)連接比較器的輸出端；比較器的負(fù)向輸入端耦接一充放電電容端，且通過第一邏輯控制開關(guān)與第二邏輯控制開關(guān)耦接一電源供應(yīng)端，且通過第三邏輯控制開關(guān)耦接一接地端，且通過第二邏輯控制開關(guān)耦接多個(gè)觸摸按鍵端。該系統(tǒng)外圍電路簡單，電路成本低，解決了現(xiàn)有電容式觸摸按鍵系統(tǒng)溫漂大，成本高，調(diào)節(jié)復(fù)雜等問題。
文檔編號(hào)H03K17/96GK101908876SQ201010235749
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者曹中信, 荊玉珂, 許成珅, 黃智 申請(qǐng)人:中穎電子有限公司