消费电子中的CapSense技术在白色家电中的应用
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2020-11-25
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消费电子中的消费电子中的CapSense技术在白色家电中的应用技术在白色家电中的应用
CapSense技术 CapSense技术就是利用电容感应的原理来判断手指或其他导体的存在与否，这是由
Cypress PSoC实现的。这种新型的方式可以替代机械按键，机械滑条，薄膜键盘等等。电容感应典型的应用有
按键、滑条、触摸板、触摸屏、接近式感应等等，Sensor可以是PCB上的铜箔。电容感应原理是PCB板上相邻
的导线或铜箔之间存在寄生电容，可以称它Cp ， Cp大小同时和覆盖物种类有关，当有手指接近或触摸铜箔
时，相当于附加了两个电容并联在Cp上，通过检测电容的变化就可以确定是否有手指存在，这就是电容感应的
基本原理。 CapSense实现方式有两种，CSA和CSD。CSA就是逐次
CapSense技术
CapSense技术就是利用电容感应的原理来判断手指或其他导体的存在与否，这是由Cypress PSoC实现的。这种新型的
方式可以替代机械按键，机械滑条，薄膜键盘等等。电容感应典型的应用有按键、滑条、触摸板、触摸屏、接近式感应等
等，Sensor可以是PCB上的铜箔。电容感应原理是PCB板上相邻的导线或铜箔之间存在寄生电容，可以称它Cp ， Cp大小同
时和覆盖物种类有关，当有手指接近或触摸铜箔时，相当于附加了两个电容并联在Cp上，通过检测电容的变化就可以确定是
否有手指存在，这就是电容感应的基本原理。
CapSense实现方式有两种，CSA和CSD。CSA就是逐次逼近电容感应（CapSense Successive Approximation）的简
称，CSD就是Sigma-Delta调制电容感应（CapSense Sigma-Delta Sigma Delta）的简称。
CapSense在白色家电中的应用在白色家电中的应用
电容感应方式（CapSense）有很多优点，非常适用于白色家电。白色家电属于家庭用品，美观和性能是第一需求，此外
还有防水、抗干扰等许多要求，对此，CapSense都能一一满足。另外，白色家电还需要很多其他的控制，比如LCD控制、马
达控制、温度控制、水位控制等，Cypress PSoC可以实现上述全部需求。下面逐个介绍PSoC CapSense如何实现这些需
求。
美观和性能
把触摸按键和传统的机械按键做一下比较可以发现，触摸按键更加时尚美观；不需要额外的按键，因而可以节省空间；再
者，使用Cypress PSoC除了可以控制触摸按键外，还可以实现其他功能，从而总体成本较低；使用触摸按键，假如不破坏
PCB，按键就不会破坏，从而保证更长的使用寿命；在白色家电关心的防水性能上，触摸按键也凸显优势。下表对这两种按
键进行了比较：
目前被广泛采用的触摸按键/触摸屏主要有两种关键技术，分别为电阻式与电容式，电容式感应技术由于具有耐用、易于
低成本实现等特点，从而逐渐成为触摸控制的首选技术。我们 来比较一下这两种触摸技术，首先，电容触摸屏只需要触摸，
而不需要压力来产生信号；而且电容触摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正，而电阻技术需要常规的校正，这主要是
因为ITO材料暴露在空气或空气隔层里会造成电阻的变化；电容方案的寿命也会长些，因为电容触摸屏中的部件不需要作任何
移动；电阻触摸屏中，上层的薄膜需要足够薄才能有弹性，以便向下弯曲接触到下面的薄膜，所以易损伤。下表对这两种技术
作了对比。
防水设计
在白色家电产品中，防水设计是关键，我们以Cypress PSoC为例介绍一下如何实现防水效果。
3个sensor为例描述了按键的防水设计，可以设计成Sensor板和PCB板分开，这样Sensor板可以更好的区分不同的状况，
比如板子上是否出现水珠。
Sensor板的设计，板中央有三个触摸按键，周围有两圈保护电极（Shield Electrode）和一圈防护Sensor(Guard
Sensor)。内圈的保护电极用来防止触摸按键对水滴的误判，防护Sensor用来判断水流的存在与否，外圈保护电极可以避免保
护Sensor对水滴的误判。
抗干扰设计
抗干扰设计也是白色家电考虑重点之一，来看看 Cypress PSoC是如何完成的。
在CSA设计中，抗干扰能力体现在两个方面，其一，采用了开关电容电路，它和外部调制电容组成了低阻通路，感应电
容上的噪声由于低阻通路的原因,在到达调制器之前已得到了很大的衰减。另外，CSA方式分为三个阶段，阶段1感应电容连接
内部模拟总线，完成初始化的工作，通过开关电容使Cmod恢复到起始电压VStart；阶段2为扫描阶段，此时开关电路部分断
开，由恒流源给Cmod充电，计数器开始计数，一直到Cmod电压达到比较器参考电压，发生翻转，计数结束；阶段3，扫描结
束，Firmware处理计数器数据。这三个阶段结束就完成了一次扫描，然后会进入下一次扫描。感应电容Cx只有在阶段1连接内
部总线，在真正的测量计数阶段，阶段2和3都是断开的，那么Cx上的噪声就不会影响到计数，所以抗干扰能力大大提高了。
CSD在抗干扰方面也做了专门的设计，对各种噪声和静电干扰都有显著提高。首先，和CSA相同，开关电路可以和 外部
调制电容组成低阻通路，感应电容上的噪声由于低阻通路的原因，在到达调制器之前已得到了很大的衰减；中频噪声的频率范
围覆盖了PSoC的工作频率范围，因此当噪声的频率或谐波分量与开关电容模块的频率相同时，就会导致调制器的充电电流发
生变化，从而使得计数器数据发生变化。CSD采用伪随机序列发生器控制开关1和2的切换，从而可以有良好的抗中频噪声性
能；超高频噪声可以通过在每个Sensor的I/O口串联一个电阻和并联一个电容进行衰减；ESD会导致PSOC的GPIO的保护二极
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