一种电容式触摸按键环境补偿电路和方法与流程

本发明涉及非电容式触摸按键电路，更具体地，尤其涉及一种电容式触摸按键环境补偿电路和方法。

背景技术：

电容式触摸按键是一种常用的非接触式按键，相比于传统的机械按键，具有防水、寿命长、美观、结构简单等优点，被广泛应用于各种电子产品的操作面板上。其实现的基本原理是在产品中设置有一定面积的触摸感应盘，其与产品外壳以及电路板等形成固有的电容cx，一般大小为5p左右。用户手指头靠近时也会与其形成一定的电容(大约0.2p-1p)，叠加在原来的cx上，令cx增大。电容式按键侦测电路则用来检测如此小的电容变化量，从而实现触摸按键的应用。

但现实应用中，除了上述cx存在外，按键线路在pcb上的走线电容占比很大。在绝大多数产品中，按键数量都不止一个，但一般使用一颗集成电路芯片来处理，出于成本考虑和防止相互干扰，芯片均采用多路开关切换来分时共用一个检测单元。然而，多数产品其按键排列相距甚远，这样令在pcb设计时无论怎么摆放芯片，都会出现按键走线距离的巨大差异。pcb上的按键走线会与相邻线路形成不可忽略的耦合电容cp，线长和线短其值相差几倍。例如：走线长度超过15cm其与相邻0.6mm间距的地线之间形成的耦合电容高达10p以上，而邻近芯片的按键其走线短可能1p不到。除了pcb上个按键走线电容外，芯片内部各按键通道也有寄生电容5-10p，但一般通道之间其差异不大，在此我们一并将其计入cp电容内。

现有的电容式触摸按键侦测技术主要有两种：

第一种是采用“rc振荡器”的工作原理制作的触摸按键侦测电路，使用振荡器原理来检测电容的变化，其内部电路结构简单成本低廉。因为cp以及cx都非常小，所以对应rc的r阻值需要比较大，同时施密特触发器的输入阻抗接近无穷大，因此外界通过射频感应施加在触摸按键电极上的干扰很容易误触发或延后触发施密特触发器，使得计数结果被干扰。虽然现在大家采用了很多复杂的电路变形以及软件技巧，始终无法根本克服射频干扰问题。因此，该方法一般只用在对可靠性要求不高的廉价产品上，不在本文讨论之列。

另一种比较常用的采用“电荷转移式”原理来实现触摸按键侦测，如图2所示。其主要包括2个高频切换开关sa和sb，1个基准电容c3、1个比较器和计数器等逻辑单元。基准电容c3一般比较大，到达10nf数量级别。逻辑电路通过高频信号驱动开关sa、sb轮流导通，并开始计数。使得电源通过sa对cp和cx进行充电，然后(cx+cp)通过sb对基准电容c3进行放电。当c3上的电压达到比较器的设定的固定参考值时，停止计数。计数器得到的数值能够直接反应(cx+cp)的大小，因此得到侦测电容的目的。此方式中，因为c3电容很大，外界的干扰不会误触发比较器。

其中，我们得到计数值cnt(或对应时间值)来衡量被测电容的大小。根据电路模型，我们知道，cnt与被测总电容(cx+cp)成反比，与基准电容c3成正比。假设某2个按键通道cp差异大导致其总电容相差一倍，那么可以推算出：

1.其读数cnt值会相差一倍，cp越大的cnt值越小；

2.固定的按键动作引起的电容变化率：δc/(cx+cp)会相差一倍，cp越大的其变化率小；

3.所以最终按键动作引起的cnt变化值δcnt＝cnt*(δc/(cx+cp)),会到达2的平方等于4倍的差距。

为了保证系统的稳定可靠性，我们一般要求按键时产生的δcnt能够大于cnt的固有噪声的2倍以上，所以该例中，为满足在cp较大的通道性能，会基准电容c3调大4倍来增加δcnt满足可靠性。此时，cp较小的通道，其cnt值会相应增加4倍，意味着该通道单次检测时间增加4倍。在部分应用条件下，长走线按键和短走线按键总电容差距5倍以上，在调整基准电容满足cp最大按键后，其最短按键需要耗时为其的25倍以上，这样在多按键应用的处理中，极大地影响了整体的响应时间，成为无法克服的问题。

综上所述，目前广泛使用的多通道电荷转移式按键侦测电路中，普遍存在各通道参数差异大而匹配不好的缺陷，因而迫切需要一种方法，能够克服实际应用中各通道大小不一的环境寄生电容对触摸按键侦测量程、精度、速度的影响，用来实现更方便的应用。

技术实现要素：

针对采用电荷转移式的电容式按键电路在多按键系统应用中的上述缺陷，本发明提供了一种电容式触摸按键环境补偿电路，采用补偿电路分别对各通道的走线寄生电容进行补偿，使得各通道在固定的参考电容值下，能得到接近的读数值以及按键变化量，即使得各通道具有接近的分辨率和测量时间，本发明也提供了使用该补偿电路进行补偿的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种电容式触摸按键环境补偿电路和方法，其中，电路包括侦测单元、电压运算单元、电压跟随放大器、可变电阻单元以及逻辑控制单元，侦测单元包括开关s1、开关s2、开关s3、基准电容c1、充电电压源vt和比较器/ad转换器，电压跟随放大器为电压跟随放大器，可变电阻单元为可变电阻，触摸通道上的电容由触摸电容cx和杂散电容cp组成；

补偿方法为：

s1，在启动之前，基准电容c1初始放电，

s2，利用高频切换开关将被侦测电容(cx+cp)在充电电压源vt和基准电容c1之间切换，利用电荷转移方法所充的电荷转移到基准电容c1，

s3，通过对基准电容c1电压、充电电压源vt以及参考电压vref取信号进行运算得到相应的负电压并进行驱动能力放大，

s4，通过可变电阻对基准电容c1进行电荷泄放并保证其泄放的电荷正好等于该周期内杂散电容cp所充入的电荷，使得基准电容c1上只保留触摸电容cx充入的电荷，

s5，当通过比较器/ad转换器判断基准电容c1电压达到目标参考电压vref后即停止，

s6，通过高频开关切换次数或时间判断触摸电容cx大小。

测试结果只与触摸电容cx有关，而环境杂散电容cp被补偿掉。

优选地，使用电压运算单元对基准电容c1电压、充电电压源vt以及参考电压vref进行运算，得到与当次充入杂散电容cp的电荷量成正比的电压量，来作为补偿量的依据。

优选地，将电压运算单元的输出转换成相应的负电压，并进行驱动放大，使得其有一定的驱动能力进行电荷补偿。

优选地，驱动放大后的与杂散电容cp中电荷量成正比的负电压，经过一个使用软件逻辑控制的可变电阻，来接入基准电容c1进行电荷泄放，以抵消杂散电容cp中的电荷对基准电容电压的影响。

优选地，控制软件在系统初始化时，匹配出适合每个触摸通道的用于补偿杂散电容cp的可变电阻值，使得该通道进行补偿时正好抵消该通道中特有的杂散电容cp的影响，从而消除各通道之间的差异，使得各通道参数能够与基准电容c1的大小相匹配，得出的数据值相差不大，同样的按键动作引起的数据值变化量也差异不大，即实现了测量精度的一致性。同时由于消除了杂散电容cp的影响，在相同的基准电容值下，得到的充电次数会变多，意味者得到的数据会变大，同时按键时变化量也会变大。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

本发明的用于触摸按键环境补偿电路和方法，克服了触摸按键在多按键系统中，各按键参数不一的问题，同时提高了按键灵敏度和精度，简化了主逻辑系统对按键判断的复杂性，节省微处理器资源。电路结构简单，可靠性强，易于集成，可以广泛集成于各种触摸按键检测芯片中。

附图说明

图1为使用“rc振荡器”原理的电容式感应按键电路原理示意图；

图2为一般应用“电容电荷转移”原理的电容式感应按键电路原理示意图；

图3为本发明实施例的电容式感应按键的原理示意图；

图4为本发明实施例补偿电阻参数初始化流程图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图3-4，一种电容式触摸按键环境补偿电路和方法，电路包括侦测单元、电压运算单元、电压跟随放大器、可变电阻单元以及逻辑控制单元，侦测单元包括开关s1、开关s2、开关s3、基准电容c1、充电电压源vt和比较器/ad转换器，电压跟随放大器为电压跟随放大器，可变电阻单元为可变电阻，触摸通道上的电容由触摸电容cx和杂散电容cp组成；电压运算单元的作用是通过充电电压源vt、基准电容c1上的电压vc、以及参考点电压vref进行运算得出一定的电压值，令其与vc之间的压差与当次充入杂散电容cp的电荷量成正比；电压跟随放大器的作用是将计算出的电压值进行功率放大，使得其有一定的驱动电流能力，能对基准电容c1进行补偿放电；可变电阻单元内设置多个不同阻值电阻，通过软件或者逻辑电路控制，接入不同阻值的电阻到基准电容c1进行电荷泄放，可以得到不同的补偿量，即能补偿到不同大小的环境电容cp。

补偿方法为：

s1，在启动之前，基准电容c1初始放电，

s2，利用高频切换开关将被侦测电容(cx+cp)在充电电压源vt和基准电容c1之间切换，利用电荷转移方法所充的电荷转移到基准电容c1，

s3，通过对基准电容c1电压、充电电压源vt以及参考电压vref取信号进行运算得到相应的负电压并进行驱动能力放大，

s4，通过可变电阻对基准电容c1进行电荷泄放并保证其泄放的电荷正好等于该周期内杂散电容cp所充入的电荷，使得基准电容c1上只保留触摸电容cx充入的电荷，

s5，当通过比较器/ad转换器判断基准电容c1电压达到目标参考电压vref后即停止，

s6，通过高频开关切换次数或时间判断触摸电容cx大小。

测试结果只与触摸电容cx有关，而环境杂散电容cp被补偿掉。

使用电压运算单元对基准电容c1电压、充电电压源vt以及参考电压vref进行运算，得到与当次充入杂散电容cp的电荷量成正比的电压量，来作为补偿量的依据。

将电压运算单元的输出转换成相应的负电压，并进行驱动放大，使得其有一定的驱动能力进行电荷补偿。

驱动放大后的与杂散电容cp中电荷量成正比的负电压，经过一个使用软件逻辑控制的可变电阻，来接入基准电容c1进行电荷泄放，以抵消杂散电容cp中的电荷对基准电容电压的影响。

控制软件在系统初始化时，匹配出适合每个触摸通道的用于补偿杂散电容cp的可变电阻值，使得该通道进行补偿时正好抵消该通道中特有的杂散电容cp的影响，从而消除各通道之间的差异，使得各通道参数能够与基准电容c1的大小相匹配，得出的数据值相差不大，同样的按键动作引起的数据值变化量也差异不大，即实现了测量精度的一致性。同时由于消除了杂散电容cp的影响，在相同的基准电容值下，得到的充电次数会变多，意味者得到的数据会变大，同时按键时变化量也会变大。

初始化过程具体为：先设定目标cnt值，使得在该cnt值下，测量速度和按键变化量都能满足要求。多路开关切换到通道1，将可变电阻设置为最大阻值，进行测量，得到数据若大于目标cnt值，则需要改小基准电容c1的值。若得到的数据小于目标cnt值，则将可变电阻调整一档以减少阻值，再次测量并依照前次判断方法，直至得到的数据超过目标cnt为止，将所设电阻档位值记下。同样的方法匹配其他通道并存储数据。需要注意的是，电阻的档位越细，匹配到的cnt值越精确。一般分为16档即可满足要求。

如图3所示，调整触摸通道上串联电阻rn至合适的值，保证每次电压源vt对触摸电容(cp+cx)充分充电，即rn*(cp+cx)《t/2，其中t为开关周期，故t/2为充电周期。此时根据电容公式c＝q/u》

推出在充电周期完毕后，触摸电容上的总电荷为q1＝c*u＝(cp+cx)*vt

在放电周期完毕后，触摸电容上的总电荷为q2＝c*u＝(cp+cx)*vc

(其中vc为该放电周期完毕时基准电容上的电压)

每周期充入基准电容的电荷为：

q＝q1-q2＝(cp+cx)*(vt-vc)＝cp*(vt-vc)+cx*(vt-vc)

可见其包含2部分，分别为cp和cx所充入电荷。补偿电路的作用就是将cp所充入的部分cp*(vt-vc)从基准电容c1中泄放掉。

电压运算单元对vt和vc进行采样后运算并产生相应的负电压即-(vt-vc)，进行驱动能力的放大，然后通过可变电阻接入c1对其进行放电。

根据电流的定义公式：i＝q/t可以得到在该周期内对c1泄放的电荷量为：

q＝i*t＝t*(vt-vc)/r＝(t/r)*(vt-vc)

若选择合适的r值，令t/r＝cp，则其泄放电荷量为cp*(vt-vc)，正好等于cp所充入电荷。

综上所述，经过补偿后，每次充入基准电容的电荷量为cx*(vt-vc)，与cp无关，即最终得到的读数充放电次数cnt(或时间)与cp无关。

如图4流程示意图所示，为本发明实施例补偿电阻参数初始化过程。软件逻辑控制系统在初始化时，对每个按键通道进行放电r值的匹配，得到与所需要补偿量对应的r值，然后将数据进行存储。在实际对各按键通道进行轮流测量时，调出对应的r值，进行设定后再启动测量。

在主侦测程序中，进行通道扫描前先填入对应的补偿电阻档位值，再启动扫描，最后得出的cnt值不会相差太多，而且按键时其变化量也不会差别太大，这样软件处理起来方便很多，也节省了软件处理的时间，无需特别高的cpu速度，可以一定程度节省资源。由于按键走线长短造成的杂散电容补一不再造成困扰触摸性能的设计，用户的产品可以有更多的设计灵活性，pcb走线也可适当降低要求，可以走线更密集，甚至将触摸线路与其他功能进行复用，例如驱动led指示灯等。

综上所述，本发明的用于触摸按键侦测的环境补偿电路和方法，克服了触摸按键在多按键系统中，各按键参数不一的问题，同时提高了按键灵敏度和精度，简化了主逻辑系统对按键判断的复杂性，节省微处理器资源。电路结构简单，可靠性强，易于集成，可以广泛集成于各种触摸按键检测芯片中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。