電容式觸控感測器（Capacitive touch sensors）近來正迅速成為許多電子產品中不可或缺的一部分。由於獲得許多熱銷產品的採用，如蘋果（Apple）的iPod，電容式感測器已成為取代機械式按鍵、開關、及滑桿（sliders）的熱門選擇，之所以獲得青睞主要還是因為它更為耐用、可靠、及外形更美觀等許多優點。

電容式感測技術自發明至今，已日趨成熟，目前有許多電容式感測的方法，像Charge transfer、Successive Approximation、Sigma-Delta以及Mutual Capacitance measurement等感測法，而要採用哪種方法則視該應用所需。

在最近越來越多新推出的產品中，都可以發現電容式感測器的應用，例如現在有些電腦鍵盤旁會附加電容式滑桿、觸控板、或是取代機械式及相關類比元件的按鈕。在自動家電的市場中，也出現越來越多具備內建電容式觸控感測按鈕的產品。事實上，這些感測器可能只是未來行動電話及隨身聽的標準配備而已。

在嵌入式設計中，加入機械式按鈕與滑桿的方法是相當直覺式的。如圖一所示，加入數位開關就是將其一端尾部連接到電源上（或接地，視邏輯設計方式），並且將另一端連接到GPIO的腳位。當中的微控制器會判斷開關的開路（open）或閉路（close）。同樣的，類比式的滑桿會使用到跨電位計的電壓值，然後再利用分壓網路判斷觸碰點在滑桿上的位置(如圖二)。

《圖一 數位開關 》

《圖二 類比式滑桿》

但電容式按鈕與感測器的設計會不會一樣的簡單與直覺？還是在設計上的複雜度會阻礙這項技術的運用潛力？

電容式觸控感測器基本原理

電容式感測系統的基本原理就是導體與電場的相互作用。在設計上，電容式感測器與感測器周圍的接地面板之間的電場效應會產生系統的寄生電容，假如有導電物體，像是手指頭接近此系統時，就會增加跨越感測器與接地面之間的電力場線，這也造成系統電容值的升高。因此手指的觸碰將會由所量測到的電容值改變來決定。

但是實際上並非只有這樣簡單。我們可以先稍微深入瞭解一下其中的量測系統。為了要能追蹤系統中電容值的變化，首先要利用前面提到的幾種方法先將該電容值轉換成一個數值，該數值稱為「原始計數值」（raw count）。當電容式系統一開機時，在電路板上量測寄生電容值所得到的原始計數值會儲存在一個稱為「基準值」（baseline）的變數之中。由於寄生電容值會隨時間而緩慢變化，因此這個基準值就會不斷進行更新，而寄生電容值的變化多半是由於溫度改變或是其他環境因素改變造成，這是在機械式按鈕或滑桿上不會遇到的問題。此基準值就像類比的接地一樣。

當有了穩定的基準值後，還要有偵測指觸的計數值，這個值就是手指碰觸感測器時所量測得到的原始計數值。但是系統內原本就充斥著許多雜訊，因此在設定偵測相關的界限值（threshold values）時就必須小心，因為它們會直接影響到系統的靈敏度。雜訊的界限值在設定時需考慮基準值周圍的雜訊計數值。所有這些界限值都會跟基準值有關。下圖三為上述各個界限值之間的關係。

《圖三 各個界限值與原始計數值》

然而這些只是必須設定參數中的一部分而已。其他參數在設定時必須確保觸控感測器能正常運作，這些參數有下列各項：

這些參數都必需要有精確的調整才能展現如機械式元件般的功能。面對這些挑戰，這項技術的成功關鍵一樣是在開發工具的應用上。

PSoC CapSense裝置與開發工具組

為了協助設計者能順利的完成開發任務，Cypress也提供了一系列的開發工具。Cypress的PSoC CapSense觸控感測套裝產品中，有許多電容式觸控感測器，其中在IDE（Integrated Development Environment）PSoC Designer 5.0中的CapSense模組，能協助設計人員更輕易地將Capsense的產品整合到設計中。

CapSense架構的電容式系統設計

採用CapSense觸控感測器的系統設計，第一步就是將觸控感測器結合至印刷電路板上，接著該感測器必須透過韌體連上GPIO中相對應的連接針腳，而這項工作只需利用簡單的拖放操作方式就可完成，如下圖四，每個觸控感測器都會連接至一個GPIO的針腳。

《圖四 圖中顯示6個觸控開關中的每一個都會連至一個GPIO的針腳》

當這個步驟完成後，開發工具會自動為滑桿建立感測器表與群組表。接著，開發工具會預置一個通用陣列以存放所有屬於感測器的資料，包括原始計數值、基準計數值與差異計數值，其中差異計數值就是基準值與原始計數值之間的差值，這些值可用來判別指觸是否發生。設計人員還必須根據其應用的需求，來選擇解析度與掃描速率。依照電路配置，來設定這些數值是相當直覺的工作。新版的開發工具還會具備一個調整器，能為特殊的配置方式調整前面所提到的參數。

此開發工具也提供許多高階API常式（routines），以達到所需的功能性。無論是確認手指在滑桿上的位置、更新基準值、及偵測各個感測器的動作以檢查按壓按鈕的狀態，都是這些常式能處理的功能，這讓設計人員省掉許多頭痛的麻煩，也大大提昇開發的速度。

《圖五 偵測手指在滑桿（指一排觸控感測器）上的位置》 資料來源:CapSense User Module Datasheet

此外，CapSense開發工具還具備一項名為「diplexing」的功能，也就是兩組滑桿感測器能連至相同的GPIO腳位，不需外加任何成本即可達到節省IO針腳的目的。在使用該功能時，開發工具會依據這些感測器的分工提供適合的配置方式。若是要在機械式按鈕中達到相同的功能則需要額外的硬體，及增加更多的複雜性。本演算法還能判斷出手指在滑桿兩側間的位置，可說是一個相當節省的解決方法如圖五。

此工具組還具備另一個特點，就是徑向(放射狀)滑桿（radial sliders）。CapSense觸控感測器在電路板上的配置採用徑向的方式。能利用單一API常式判斷出手指在徑向感測器上所碰觸的位置，其中基本的演算法是透過計算的方式決定出位置。利用這項特點，這些感測器就可以用來模擬電腦觸控板上的動作。

界限值、掃描速率、防誤觸、以及其他參數皆可透過韌體進行即時的更動，以符合應用上可能的需求，並提供能因應運作條件改變所需的強大彈性。

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結論

隨著電容式感測技術日益成熟，也有越來越多產品已採用此技術。但考慮到這類感測器運作的複雜度，要廣泛運用此技術就要仰賴其支援開發工具的成熟度了。若能適時利用成熟的開發工具，電容式觸控感測器就真的只要輕碰一下，即可發揮強大功能。

＜作者任職於Cypress應用工程師＞