深圳市深普科技開發有限公司是Cypress觸摸相關產品的專業方案公司，
下面是關于Cypress自電容觸摸IC的工作原理。

1. CY8C20x34 CapSense 系列功能
Cypress CY8C20x34 是低功耗、高性能、可編程 CapSense 控制器系列，其功能如下：
 
1.1.1  高級觸摸式感應功能
 可編程電容式感應組件
     使用 CSA_EMC 電容式感應技術來支持一組 CapSense 按鈕、滑塊和接近傳感器
     包含用來實施按鈕和滑塊的集成式 API
     支持高達 25 個電容式傳感器和 6 個滑塊
     CY8C20x24 支持 25 個電容式傳感器和 1 個滑塊
     支持高達 2 厘米的接近感應系統（帶有板上 PCB 走線）

增強型抗噪能力
     CSA_EMC 為傳導和輻射噪聲情況較嚴重的應用提供出色的抗噪性能

低功耗
     用于優化功耗的兩種功耗模式
     1.5 mA 活動模式電流；2.6 uA 睡眠模式電流

1.1.2  器件特點
高性能、低功耗 M8C Harvard 架構處理器
     高達 2 MIPS，帶有 12-MHz 內部時鐘、外部時鐘信號

靈活的片上存儲器
     高達 8 KB 閃存和 512 字節的 SRAM
     支持仿真型 EEPROM
 
高精度的可編程時鐘
     內部主振蕩器 (IMO)：6/12 MHz ± 5% 
     內部低速振蕩器，32 kHz，能夠實現看門狗和睡眠功能

增強型通用輸入/輸出 (GPIO) 功能
     高達 28 個通用 I/O (GPIO) ，具有可編程引腳配置
     所有通用 I/O 均具有 20 mA 的灌電流能力
     在所有 GPIO 上支持內部強上拉式、HI-Z、開漏驅動和強驅動模式

外設特點
     13 位可編程定時器
     看門狗和睡眠定時器
     I2C 主控 – 時鐘速率為 100 kHz; I2C 從器件 – 高達 400 kHz
     SPI 主控和從器件 – 可配置范圍為 46.9 kHz - 3 MHz

運行條件
     工作電壓：2.4 V - 5.25 V
     溫度范圍:–40 °C - +85 °C

2.   CapSense 基本原理
CapSense 是一種觸摸式感應技術，其工作方式是在預先指定為傳感器的 CapSense 控制器上測量每個 I/O 引腳的電 容。如圖 2-1 所示，每個傳感器引腳的總電容可以模擬為值為 CX,1 - CX,n 的等效集總電容，這些值是針對 n 個傳感器所 設計。CY8C20x34 器件連接的內部電路將 CX 數量級轉換成數字代碼，然后進行存儲以供后期處理。其他組件即積分 電容 CINT 由 CapSense 控制器內部電路來使用。

圖 2-1. 在 CY8C20x34 PSoC 器件中實施的 CapSense 特定器件

如 圖 2-1 所示，每個傳感器 I/O 引腳均通過走線、過孔或在必要時同時使用二者連接至傳感器板。外覆層是傳感器板 上面的非導電性覆蓋層，這構成了該產品的觸摸式接口。當手指與外覆層接觸時，人體組織導電性將接地導電層并行導 入傳感器板。如圖 2-2 所示。這種安排構成了平行板電容器，其電容由以下得出：

   公式1

其中：

CF = 手指與傳感器外覆層接觸時發生作用的電容

ε0 = 自由空間介電常數

εr = 外覆層的絕緣常數（相對介電常數）

A = 手指與傳感器板的交疊面積

D = 外覆層厚度

圖 2-2. 典型的 CapSense PCB 與通過手指激活的傳感器之間的橫截面

除平行板電容外，手指與外覆層接觸，在手指與緊鄰的其他導體之間產生邊緣電場。與平行板電容器相比，這些邊緣電 場的影響通常很輕微，通?？梢院雎?。

即使手指未觸摸外覆層，傳感器 I/O 引腳也有一些寄生電容 (CP)。CP 是由傳感器板、走線、過孔和系統中其他導體

（如接地層、其他走線、產品底盤或外殼中的任何金屬等）之間的 CapSense 控制器內部寄生電容與電場耦合相互組

合時產生的。CapSense 控制器測量連接至傳感器引腳的總電容 (CX)。

當手指不觸摸傳感器時：

   公式2手指在傳感器板上時，CX 等于 CP 與 CF 的總和：   公式3

通常， CP 比 CF 大一個數量級。CP 的范圍通常為 6 pF - 15 pF ，但在極端情況下可以高達 50 pF。CF 的范圍通常為

0.1 pF - 0.4 pF。調校 CapSense 系統時，CP 的大小至關重要，有關調校 CapSense 系統的知識，會在使用用戶模塊

調校通過用戶模塊。   
 
2.1 CY8C20x34 中的 CapSense 方法

CY8C20x34 器件支持 CapSense 逐次逼近電磁兼容性 (CSA_EMC)方法，以便將傳感器電容 (CX) 轉變成數字代碼。

CSA_EMC 方法是以 PSoC Designer 用戶模塊的形式實施的，有關說明見后面章節。

2.1.1  CapSense 逐次逼近電磁兼容性 (CSA_EMC)

CY8C20x34 器件使用的 CSA_EMC 方法將 CX 嵌入開關式電容電路中，如圖 2-3 所示。

圖 2-3. CSA_EMC 框圖

恒流源 (iDAC) 為模擬復用器提供的電流量為 IDAC。傳感器 (CX) 分別通過開關 Sw1 和 Sw2 選擇性地連接到模擬復用器 (AMUX) 總線和 GND，耗盡 AMUX 總線流出的 ISENSOR 電流量。ISENSOR 的數量級與 CX 的數量級成正比。開關 Sw1 和 Sw2 由非重疊的時鐘（預充電時鐘）來測量時鐘脈沖。 

積分電容 CINT 累計差分電流 IDIFF (IDAC 與 ISENSOR 之間的差值）的積分并提高潛能。此電荷積分持續進行，直到展開的 潛能超過 CINT  達到平衡水平，即 ISENSOR 等于 IDAC。積分時間是指建立時間。  

單斜 ADC 用于將 CINT 上的平衡電勢轉變為數字輸出計數，稱為原始計數，并與 CX 成比例。此原始計數由高級算法進 行轉換，以便求解傳感器的狀態。

IDAC 電流是使用逐次逼近法設置的，從而確保 CINT 上的平衡電壓位于 ADC 的線性轉換區。

圖 2-4 表示從手指觸摸傳感器到釋放這段時間內連續掃描數量的 CSA_EMC 原始計數。根據 CapSense 基本原理中的 說明，手指觸摸傳感器導致 CX 增加 CF，并依次導致原始計數按比例增加。通過比較穩態下原始計數水平到預定閾值 的轉變，高級算法能夠確定傳感器是在 On（觸摸）還是 Off （未觸摸）狀態。
圖 2-4. 手指觸摸期間的 CSA_EMC 原始計數