新型距离感应器的设计知识

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  红外《IR》接近传感器目前被广泛的应用于智能手机中来防
止通话时用户脸部造成的触摸屏误触.同时降低功耗。IR传感器
具有探测距离远，反映速度快等优点。沮是其昂贵的成本和复杂荀
刻的装配要求.促使手初」-商导求成本更低、结构简单的方案。电
容式接近感应在白色家电、智能家居等领城的普及.为手机接近感
应方案提供了一种有效的思路。本文提出了一种基于电容变化的手
机接近感应方案.给出了具体的系统结构、硬件设计和控侧要点。
此方案已经成功地应用到知名品牌的手扣沪品中.取得了很好的效
果。
一、系统结构
    电容式接近传感系统的结构如图I所示。控制器通过电极检侧
物体靠近手机时起的电容值变化，一旦电容涟变化超过控制器程序
中设定的阀值，控制器便会向手机处理器发出中断僧号.如果此
时手机正处于通话模式.主机将关闭LCD显示和触摸屏等部件.
实现降低功耗和避免误触等目的。


    电极负责探测电容变化，其设计质量很大程序上决定了系统的
整体性能。电极本质上就是一块平面导体.可以是FPC上的一块
铜皮.也可以是电容触摸屏上的一块ITO薄膜。
    图2给出的ITO薄膜电极的设计示例。电极的尺寸直接影响
接近感应的探侧距离。在其他设计不变时.探测距离随电极尺寸的
增大而增大。电极在外形上要尽量圆滑.道免出现直角成者锐角.
而且电极要尽量完整。在手机应用中.电极通常采用炬形来最大化
感应面积.此时需要注意圆弧化电极的拐角。电极应该放在FPC
或者ITO薄膜贴近触摸屏的一侧.而且背面的另一侧通常需要腾空。
电极背面对应的手机前充区域应当避免有大面积的金属.否则会影
响探测距离。电极周边需要铺设地线来增强电容基准.屏蔽噪声.
并且提高感应方向的直线性。电极和地线的间距违议为0.5mm到
1mm地线的宽度根据其体情况而定.建议不小于1mm。电极到芯
片的引线应该尽量短且细.以减少寄生电容和耦合嗓声。


    影响系统性能的另一个主要因素是控制器。本文选用了赛普
拉斯公司控制器CY8C20055。该控制器采用良好抗辐射和传导噪
声的能力Quitczone技术.并且具有超低功耗.很适合在手机等
移动终端中使用。该技术还实现了业界最佳的信嗓比(SNR).在
高噪声的环境中也可以通过Cypress已获专利的capsense Sigma-
Delta(CSD)Plus算法实现低至O.1pF的电容变化检测.非常适合应
用干接近感应。另外，CY8C20055采用SmartSense自动调教技术.
可以实时动态补偿运行时的环境变化.从而保证性能的稳定性和通
道之间的一致性。
二、硬件电路
    本文设计的电容式接近感应的电路图如图3所示。CY8c2oo55
的外围电路很简单.最小配资只需要2个电容一调制电容c1和去耦电容c2



    在此电路中.芯片的PIN 3连接到电极来采集电容信号.推荐
在连线界近芯片处串联一个典型值为560欧姆的电阻.来抑制RF
嗓声。手机等移动产品都需要通过严格的ESD测试.由于电极的
位置在手机上部.距离手机边缘、听筒、耳机播孔等很近（图2)，
而且电极面积相对较大.EsD电弧很容易在经过这些开孔成者绝隙
进入手机后耦合到电极上.对芯片管脚施加较大的电冲击.存在损
坏管脚的风险。本设计在靠近芯片一侧添加了TVS之类的ESD防
护元件来保护芯片.需要注意的是所选TVs器件的自身电容不能
太大.CY8C20055提供I2C成者sPI接口与主机进行通信。本设计中.
主机可以通过I2C总线来配感应参致、获取数据、关闭或唤醒芯
片等等。也可以进行芯片程序的在线升级。
    在PCB成者FPC布局时.调制电容和去辐电容需要尽一贴近
芯片管脚。在走线，主要注意避免电极引线和I2C信号线、电源
线平行.如果无法遭免.应该在走线中间加入地线作为隔离。
三、控制器内部逻辑
    本文的电容式智能手机接近感应方案是电容检侧技术在赛普拉
斯PSoC(Programmable system on Chip)平台上的新型应用。PSoC
技术是在-个MCU内核周围集成了可配置的模拟和数字外围器件
阵列.利用芯片内部的可篇程互联阵列.有效地配制芯片上的模拟
和致字块资源.达到可编程片上系统的目的。一个PSOC器件最多
可集成上百种外设功能.从而帮助客户节约设计时间和板上面积.
降低了功耗和系统成本。
    整个系统的工作过程如图4所示。程序控制CSD模块对电容
信号进行采样和ADC转换.然后通过数字滤波器对转换后的数字
信号进行过滤和处理.同时由内部状态机判断输出接近感应的伏态.
由中断信号成者12C/SPI接口通知手机处理器。下面来介绍一下整
个系统主要模块的功能。


CSD模块
CSD是指Capsense sigma-delta调制电容感应。图5显示了
csD的原理框图。
    开关电容在Ph1和Ph2相位的时候分别接到Vdd和VA.所以
我们可以把它看作一个等效电阻.等效电阻RCq通过Vdd对调制
电容Cmod进行充电。当Cmod的电压达到比较器的参考电压Vref
时.比较器触发放电电阻RB对调制电容放电。当调制电容上的电
压下降到Vref以下时.放电电阻Rb被断开.此时继续对调制电容
进行充电。如此循环充放电使得调制电容上的电压抑侧在比较器参
考电压Vref附近上下浮动。网时比较器会轴出一组比特流.这组
比特流与PWM相与之后便可得到传感电容的大小.图6所示。

数字滤波
    接近感应要求控制器能够检测到稳定的小信号来提高探测距
离.因此控制器需要设置足够长的采样周期来提高信号幅度.同时
也需要设置较低的触发闷值来提高灵敏度。灵敏度的提高意味系
统更容易受到噪声的干扰。因此.为了提高整个系统的信嗓比.本
文对原始信号依次使用了三种有效的软件滤波方法:中值滤波、均
值滤波和IIR数字滤波.来此除噪声。
中值滤波.
    对于瞬间出现的单点成连续几点的嗓声.中值滤波器可以很好
的进行过滤。图8为一个三阶的中值滤波器。可以看出P3点会在
采样后.被中值滤波器撼掉。在接近感应的实际应用中.由于采样
速率较快往往会出现这样的噪点.中值滤波器可以很好的进行过滤.
同时中值滤波器的输出信号也会使得后面的均值滤波器以及IIR数
字滤波器的输入信号更加稳定。普通的n阶中值趁波器的时间复杂
度约等于nxn.所以其阶数不宜过高.应根据实际的嗓声情况进行
合理选择。


    图9对比了实际采集的电容变化信号在使用中值滤波器前后的
差异。红色为使用中值滤波器前的信号.蓝色为经过中涟滤波器(三
阶)的信号。

3.IIR数字滤波器
    IIR数字滤波器具有反馈.一般认为是无限的脉冲响应。同时
IIR数字滤波器的幅频特性精度很高.但相位不是线性的。也就是
说在使用IIR数字滤波器的时候会使信号更加平滑.但同时会带来
延时.造成整个系统的实时性有所下降。图“描述了IIR数字滤
波器的原理.


    IIR数字滤波器在接近感应的应用中尤为重要.因为接近感应
需要极高的灵度.所以信号需要十分的稳定和平滑。尽管IIR数
字滤波器会对整个系统的响应造成一些延时.但由于资源的限制.
软件滤波只能采用这种方式。在图11中.yn-a*一1b*xn.对于
系致A和B的选择.本文经过了大量的数据仿真.还在此基础上使
用了CYPRESS专利.实现了动态调整系数A和B使得整个系统的
响应延时得到了明显的降低。
    图12对比了信号在使用IIR数字滤波器前后的差异。红色为
使用IIR数字滤波器前的信号.蓝色为经过IIR数字滤波器的信号。
从图中可以明显地看出.经过IIR数字涟波器后的信号变得更加平
滑.但同时也产生了一定的延时。


★信号处理
    在处理信号的过程中.为了保证更大的信嗓比，需要处理好信
号与嗓声.图13列出了信号与嗓声。同时为了保证信号能够适应
温度等外界条件的变化.在信号处理中引入了基线这一机制。所有
的信号都是以基线为基准.同时基线随若外部环境的变化进行更新。
更新的原则是.当信号小于嗓声的水平时.基线进行更新.一旦信
号大于噪声的水平，基线便不再更新。

状态判断
    在距离感应的实际应用中.由于不同客户有若不同的需求.
所以在对于整个状态机的处理需要遵循几个原则:1.保证检测的
可靠性。2.在各种限定条件下保证检侧成功率最高。3.尽量短的
响应时间。
    木文设什的电容式接近感应探测系统集有结构简单、成本
低、易于调试和量产优点.同时在探侧距离、反应速度、稳
定性方面也其有较高的性能。该设计在知名手机客户
中已经实现大规模量产.探测距离接近17mm.响应速度的典型
值是70MS.并通过了严格的ESD、EMC.温度等测试.实现
了客户替换IR传感器的目标。