看看洗衣間與廚房的按鈕與開關數量: 烘衣機有4個，洗衣機有5個，微波爐有12個，咖啡爐有5個…以使用者為出發點的人機介面（HMI），最新的趨勢不但是以圖形介面推出電容感測按鈕與滑桿，更透過液晶螢幕支援更直覺化的介面，並加入更多智慧感測功能，讓機器能對人體動作做出反應。

電容感測

什麼是電容感測？ 任何電容感測系統的心臟，是由許多與電場進行互動的導體所構成。人體的組織內部，在皮膚底下充滿許多導電的電解質，表皮則形成會損耗的電介質。手指的導電屬性，讓這些電容觸控產品得以運作。把手指放近電場的邊緣處，就會增加電容感測系統的傳導表面面積。手指導致額外增加的儲存電容，稱之為指觸電容值CF。沒有手指靠近時，感測器的電容值記為CP，代表寄生電容。使用者介面的控制單元，藉由處理電容波動的資料，就能偵測出手指靠近的狀態（如圖一所示）。

《圖一　透過電容波動偵測手指靠近狀態。》

圖2 顯示一個電容式三角積分（CSD）感測演算法，運用一個交換電容、一個計數器以及一個脈衝調變模塊，來判斷在電容感測上是否有手指靠近。這種演算法採用一個交換電容電路，把電容值轉換成和參考電壓進行比較過的電壓值。當電容的電壓達到參考電壓值時，比較器就會啟動一個洩漏電阻，對電容進行放電。當電容電壓下降到參考電壓值以下時，洩漏電阻就會維持浮接（floating），讓電容持續充電。負責持續栓緊洩漏電阻的比較器輸出，是一個位元串流，它會隨著感測器電容的改變而變化。位元串流再和一個PWM進行AND邏輯處理後，提供一貫的串流框架。每個框架的數量，經過分析後即可判斷電容感測器是否被切換。

《圖二　整合直接驅動與智慧感測技術》

然而家電產品通常面臨嚴苛的成本限制，電容感測不僅得提高產品價值，還必須降低產品的成本。電容感測技術來減少零件數量與簡化製造流程兩者之間的共通點，可以達成此一目標。

例如，家電產品的前方面板經常會採用分段式液晶螢幕，並運用控制電容感測IC，再搭配一個獨立LCD驅動器。電容感測的液晶螢幕，經常採用電容感測IC來直接驅動，例如藉由向LCD提供訊號來開啟與關閉顯示數字的像素，藉由省下外部電阻與電容，以降低系統成本與空間。若IC讓用戶能自行設定LCD的針腳位置，研發業者亦可設計出更短的電路、更少層的PCB電路板、以及較少的crossovers跨接電路。

整合單晶片是妙方

許多家電產品亦支援各種感測器，用以提高安全性、省電效率、便利性以及附加價值，讓業者開發出像蒸氣熨斗、咖啡爐、熱水爐、烤麵包機、電鍋、保溫瓶、製冰機、煎餅機以及攜帶型瓦斯爐等家電產品。例如，洗衣機內的溫度感測器能用來精準控制水溫，壓力感測器則能用來量測水糟內的水位，濁度感測器可用來感測水的污濁。

　　感測器本質上是屬於類比元件，因此在家電產品的前方面板電路板上至少會有一個類比訊號電路。這些訊號必須經過放大或調節、濾波、頻移等處理，以應付作業環境內的雜訊。要調節這些訊號需要動用各種元件，像是可編程增益放大器（PGA）、多工匯流排、混波器、比較器（CMP）以及類比數位轉換器（ADC）。

　　整合類比式調節電路，讓研發業者不必以單獨子系統的方式來處理這些功能，不必為每個子系統配置專屬控制器。僅須為電容感測處理器配置一個中央微控制器、LCD介面、以及調節感測器專屬的元件，整個感測與控制子系統只需一個控制器再加上可編程的類比元件就能建置完成（如圖三所示）。

《圖三　控制器加上類比元件就可完成整個感測與控制系統。》

把各項通用功能匯整至單一晶片，讓研發業者能推出各種功能，包括像家電的電容感測，且能控管成本與複雜度。微控制器的可編程功能，確保系統具備足夠的彈性來容納多種介面，並讓研發業者能專注於應用上，不必分心在建置工作上。此外，系統的開放性為未來的擴充預留空間，日後不必完全重新設計就能擴增新功能、新感測器以及新介面。

電磁爐應用實例

受到單晶片解決方案益處的家電終端設備之一為電磁爐。電磁爐是一種現代化的電子烹煮爐，運用電磁傳導的原理來對食器加熱。在這個例子中，可編程系統單晶片（PSoC）用來執行上述的所有功能。請參考下面的示意圖。

電磁爐內的主要控制功能包括：

1. IGBT 自動自我保護：絕緣閘極雙極性電晶體（IGBT）是電磁爐的重要元件，過壓、增生電流或溫度過高，都會造成IGBT受損，因此保護IGBT至關重要。

2. 溫度控制：熨斗底盤的熱直接傳導至陶瓷板，溫度、電壓以及電流等訊號，經過混合後傳送到PSoC內的8通道專屬10位元 SAR ADC來進行處理。在這種設計中，兩個類比多工匯流排讓研發業者能把訊號從任何I/O傳送至晶片內的數位與類比元件，像是ADC、DAC、PWM以及計數器等。

3. 穩定的功率控制：電磁爐的輸出功率可透過系統自動調節，改進電源與負載的調節效率。

4. 使用者介面控制：收集電容感測按鈕或滑桿的輸入訊息，再決定運轉模式，並在發光二極體（LED）號誌上顯示訊息。

在元件中，有一個硬體式雙通道CSD掃瞄邏輯元件，內含專屬的時脈資源，不會額外消耗晶片內的數位資源。其利益包括雙通道CSD掃瞄功能，讓CPU的掃瞄次數達到CapSense感測器的兩倍，且在每次掃瞄時，CPU僅須對一次中斷做反應。

…本文作者任職於賽普拉斯半導體…