两种电容式触摸按键电路设计要点

胡浩然 宋志忠

珠海格力电器股份有限公司 广东 珠海 519000

摘 要：TS08N/NE和CAP 1298是家用电器显示板常用的两款电容式触摸芯片。前者引脚较多，电路设计复杂、成本高，但是软件开发工作量较小；而后者引脚较少，电路设计简单、成本低，但是需要进行一定的软件开发。两种设计方案均存在一定的设计难度。本文作者在大量工程实践的基础上面，提炼出了相关设计要点供大家参考。

关键词：TS08N/NE CAP 1298 电容式触摸芯片 显示板

Key points of design of two capacitive touch key circuits

Hu Haoran Song Zhizhong

Gree Electric Appliances, Inc.of Zhuhai Zhuhai Guangdong 519000

Abstract: TS08N/NE and CAP 1298 are two capacitive touch chips commonly used in display boards of household appliances. The former has more pins, complex circuit design and high cost, but less software development work; The latter has fewer pins, simple circuit design and low cost, but requires certain software development. The two design schemes have certain design difficulties. Based on a large number of engineering practices, the author has extracted the relevant design points for your reference.

Keywords: TS08N/NE,CAP 1298,Capacitive Touch Chip, Display Board

1

两种电容式触摸按键电路设计要点

1 引言

目前市场上供家用电器使用的触摸芯片种类繁多，如何对触摸芯片进行合理选型，需从多方面考虑，比如：触摸按键的通道数、触摸按键的灵敏度、触摸按键的可靠性、控制器成本等。

本文作者结合长期工程实践经验，讨论了目前常用的触摸芯片TS08N/NE 以及CAP 1298的工作原理和设计注意事项，希望能为大家的工程设计提供一些参考。

2 触摸芯片原理简介

当任何具有电容特性的物体（例如手指）接触电容式触摸芯片感应器时，都将因其介电特性而充当另一电容。这将改变系统的有效电容，从而以此检测是否有触摸动作。一个典型的电容式触摸感应系统由三个主要功能模块组成：一个用于电容式感应的模拟模块，一个用于处理数据的控制器和一个用于与主处理器进行通信的接口模块。如图1所示为触摸芯片CAP1298对应的感应系统。

2.1 影响有效电容式触摸感应设计的因素

以下设计注意事项可帮助减少寄生电容和增加手指电容，最终能够确保更好的传感器设计。

(1) 传感器焊盘的面积

焊盘的面积直接影响触摸按键的灵敏度：焊盘面积越大，灵敏度越高。但是如果传感器焊盘的大小大于理想值，会因为更接近地而增加寄生电容。

图1 触摸芯片CAP1298对应的感应系统

一般来说，对于通过焊盘实现触摸功能的电路来说，该面积应考虑为用户手指的平均大小（15mmx15mm），如图2所示。

图2 手指通过焊盘实现触摸

(2) 传感器之间的间隔

应考虑传感器与临近传感器的接近程度。当触摸某个传感器时，手指不仅对当前的传感器，而且也对其相邻的传感器产生了附加电容。因此，要隔离手指电容，相邻传感器之间必须留有一定空间。理想情况下，传感器间隔应是电容式触摸感应系统覆盖材料厚度的2~3倍。例如，对于一个典型的电容式触摸感应设计来说，如果覆盖材料的厚度为3mm，那么传感器之间的距离应为6mm到9mm.

(3) 传感器和微控制器（MCU）之间的走线长度

传感器和微控制器之间的走线不能太长，因为走线越长，受寄生电容影响的可能性就将越大。这将改变走线阻抗和影响灵敏度。理想情况下，走线长度应不超过300mm。

(4) 覆盖材料及其厚度

所使用的覆盖材料及其厚度将决定传送到电容式触摸感应器的手指电容。所使用的覆盖材料必须具有较大的介电常数以增加灵敏度。此外，还要保证覆盖材料尽可能地薄。如果覆盖材料的厚度增加，那么传感器之间的串扰效应将会增加。

(5) 接地技术

传感灵敏度将受传感器与地之间的寄生电容影响。其可通过使地尽量靠近传感器来予以克服，这将增加寄生电容而降低其对传感器的影响。

2.2 TS08N/NE 触摸芯片电路

TS08N/NE 触摸芯片引脚图如图3所示。

此芯片共有24个引脚。其中，CS1~CS8这8个引脚为模拟输入，即触摸按键传感输入通道，硬件设计中，根据实际需求选择通道。

OUT1~OUT8这8个引脚为对应其模拟输入的数据输出，触摸按键后，信号经过输出通道进入主芯片进行处理。

图3 TS08N/NE 触摸芯片引脚图

硬件PCB设计部分，由于芯片引脚较多，布线比较复杂，在控制器上所占的面积可能会较大，这对硬件设计人员来说也是一种挑战。

PCB 设计要点：

(1) 谨慎设计芯片电源，因为触摸芯片对电源纹波非常敏感，纹波幅度要小于50mV, 所以芯片电源要同LED 驱动、数字开关电路等干扰较强的电源电路有效分离；

(2) 芯片偏置电阻不要放在感应焊盘上，要尽量靠近芯片，避免电磁干扰对RB 的影响。TS08N芯片的RB 脚要加Cb电容到VDD 用来滤波；

(3) 感应线以及感应焊盘附近避免走强干扰信号线，感应线尽可能短，感应线和感应焊盘布在不同的层上（避免触摸时候感应线影响）；

(4) 感应焊盘上不要加过孔、镀锡，避免加过孔和镀锡引起焊盘不平，影响接触效果；

(5) 调整CS 达到合适的灵敏度，满足要求情况下尽量增加CS电容，提高冗余，增强抗干扰能力；

(6) RS电阻和CS电容尽量靠近触摸芯片，感应焊盘面积最好是7mm*10mm左右；

(7) 靠近芯片放置电源去耦电容。

在实际的TS08N/NE采样电路原理图中：

(1)第17引脚作为端口时为输入输出功能，如果要选择多按键模式或单按键模式，可将第17引脚直接接地或接+5V来实现；

(2)其中没有用到的按键输入和输出口可以直接将其悬空；

(3)由于该触摸芯片共有8路按键输入和输出口，每路的性能参数一致，可根据实际需要选择使用哪几个通道；

(4)当在控制器中使用2个或以上的情况，需要将使用到的TS08N/NE 的第17脚连接到一起，再共同下拉一个电阻。该电阻的选取可根据TS08N/NE 输出波形情况来定：此电阻选择太大会引起输出波形的下降沿延时较长；选择太小又会引起输出波形的上升沿延时较长。参考下拉电阻为2.2 MΩ，此参数的选择可通过上述试验结果来综合调整确定。

(5)可根据实际情况选择采样按键个数。

2.3 CAP 1298芯片

CAP1298是由Microchip推出的一款集成了Right Touch技术的多通道电容式触摸传感器。它包含8个独立的灵敏度可编程的电容式触摸传感器输入，适用于各种触摸传感器应用。每个传感器输入都经过校准以补偿系统寄生电容，并可自动重新校准以补偿微小的环境变化。

此外，CAP1298 可配置为检测一个或多个通道上的接近信号，同时可选的信号保护功能可降低噪声灵敏度并将检测天线与附近的导电表面（会使电场发生衰减）隔离。

CAP1298 包括多重模式触摸识别，允许用户选择一组特定的可同时触摸的按钮。如果检测到此模式，某个状态位将置1并产生一个中断。

CAP1298 具有工作状态和待机状态，每种状态都有自己的传感器输入配置控制。组合状态允许使用传感器输入控制的组合，在此状态下可将一个或多个传感器输入用作按钮，而将其他传感器输入用作接近检测器。待机状态和组合状态下的功耗取决于使能的传感器输入数量以及平均值计算、采样时间和周期时间。深度休眠为最低功耗状态，仅消耗5uA（典型值）的电流。在此状态下，没有传感器输入处于工作状态，器件将由通信唤醒。

如果使能重复速率，则只要保持触摸状态，就会根据编程的重复速率产生其他中断。当为传感器输入使能重复速率时，器件将使用一个名为MPRESS的附加控制来确定将触摸标记为简单“触摸”还是“按住”，MPRESS[3:0]位可设置最小按压定时器。触摸按钮时，定时器开始计时。如果在最小按压定时器计数结束前释放传感器焊盘，则标记为触摸，并在释放时产生一个中断（如果允许）。如果传感器输入检测到触摸时间长于此定时器值，则标记为“按住”事件。只要保持触摸状态，就会以编程的重复速率产生中断，并且在释放时也将产生中断（如果允许）。

在通信方面，CAP1298使用SM Bus或I2C协议进行通信。在程序设计中，要对它随时进行读或写操作，CAP1298支持I2C块读取和块写入。

CAP 1298触摸芯片引脚图如图4所示。

此芯片共有14个引脚。其中，CS1~CS8这8个管脚为触摸按键传感模拟输入，这点和TS08N/NE 类似。CS5/SG为多功能引脚，如果不使用为信号保护功能，可将其使用为触摸按钮；ALERT#引脚为低电平有效报警/SM Bus报警的中断输出；SMDAT引脚为双向漏极开路SM Bus或I2C™数据，并且需要上拉电阻；SMCLK引脚为SM Bus或I2C时钟输入，也需要上拉电阻。

图4 CAP 1298触摸芯片引脚图

当硬件电路中未使用ALERT#引脚时，在程序中对按键后中断的处理可以通过对主控制寄存器的INT位进行写0操作来实现。上电后，初始化CAP 1298芯片可写寄存器，按键后，响应中断，读取按键值。

硬件PCB设计部分，对CAP1298芯片触摸按键电路进行布线时，应注意：

（1）传感器和芯片距离应适当，不要串联电阻，阻抗要尽量控制越小越好；

（2）传感器的走线尽量越细越好(ITO 等其他导体，要同时考虑阻抗和面积）；

（3）传感器不可以与其他走线平行或者大面积耦合（不同层也要尽量避免耦合）；

（4）尽量选用Active GUARD ，保护传感器以及走线；

（5）对于需要隔离的部分，最好用Active GUARD ；

（6）如果其他电路对100K左右的脉冲敏感，需要用地线在远离传感器走线区域保（3mm以上）；

（7）如果选用PCB比较薄，又要在背面有Active GUARD 支持，请使用网格铺铜（15% ~ 30%）；

（8）有些情况，布线空间有限，传感器走线可以放到一起，但是尽量保持一定的距离，不能靠太近，而且Active Guard需要在外围保护 。

其中，可参考的布线参数：Active GUARD RX距离取0.3 ~ 0.5 mm； RX线宽<= 0.15 mm； Active GUARD线宽<= 0.15 mm；薄PCB，或FPC Guard plane = Hatched 15% ~ 30%。

3 测试波形图

3.1 TS08N/NE 触摸芯片关键点测试波形图

如图5所示，其中，绿色点为按键未触发时，TS08N/NE 芯片OUT1输出端的波形图，上电后持续显示高电平；蓝色点为OUT2输出端检测到按键被触发时的波形图，当按键被触发时，此端口输出电压为低。

图5 TS08N/NE 触摸芯片关键点测试波形图

3.2 CAP1298触摸芯片关键点测试波形图

如图6所示，图(a)中，绿色线（下方）为CAP 1298芯片数据线SDA端测试波形，蓝色线（上方）为CAP 1298芯片时钟线SCL端测试波形，此时缩放位置在10ms处；图（b）为芯片SCL和SDA端口缩放位置在200us时波形图。一次读取一个字节。

(a) 缩放位置10ms时，芯片SCL和SDA端口波形

(b) 缩放位置200us时，芯片SCL和SDA端口波形

图6 CAP 1298触摸芯片关键点测试波形图

4 结论

综上所述，两款电容式触摸芯片在灵敏度、稳定性、可靠性等方面都具有一定的优势。

TS08N/NE芯片引脚较多，电路设计复杂、成本高，但是软件开发工作量较小；CAP1298引脚较少，电路设计简单、成本低，但是需要进行一定的软件开发。

具体采用哪种电路，需要根据实际工程项目的具体情况进行判断，如果项目开发周期紧、控制器尺寸没有较大的限制，推荐使用TS08N/NE芯片；如果项目开发周期较长、控制器尺寸较小，推荐使用CAP1298。

参考文献

[1] 龙玲丽等，电容式触摸按键理论分析及灵敏度研究[J]，中国高新技术企业。

[2] 翁杨，基于电容式触摸按键系统的研究与应用[D]，武汉轻工大学。

[3] 袁忠根，一种基于PSoC的电容感应式触摸按键系统的设计与实现[D]，上海交通大学。

[4] 赵宏涛，电容式触摸按键系统设计与实现[D]，天津工业大学。

[5] 罗福根，电容式触摸按键电磁场干扰问题的解决方案[J]，电子制作。

[6] 陈斌，电容式触摸按键设计与专用芯片应用[J]，电子世界。