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06-18
简介 红外线（IR）接近传感器目前广泛应用于智能手机中，以防止通话时用户脸部误触触摸屏，同时降低功耗。
消耗。
红外传感器具有检测距离远、响应速度快的优点。
然而，其高昂的成本以及复杂而苛刻的组装要求促使手机制造商寻求成本更低、结构简单的解决方案。
电容式接近传感在白色家电、智能家居等领域的普及，为手机接近传感解决方案提供了有效的思路。
本文提出了一种基于电容变化的手机接近传感解决方案，并给出了具体的系统结构、硬件设计和控制点。
该方案已成功应用于知名品牌的手机产品，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1所示。
控制器通过电极检测物体接近手机引起的电容值变化。
一旦电容值变化超过控制器程序中设定的阈值，控制器就会向手机处理器发送中断信号。
如果此时手机处于通话模式，主机会关闭液晶显示屏、触摸屏等部件，以减少功耗并避免误触。
电极负责检测电容变化，其设计质量很大程度上决定了系统的整体性能。
电极本质上是平面导体，可以是FPC上的铜片，也可以是电容式触摸屏上的ITO薄膜。
图2给出了ITO薄膜电极的设计示例。
电极的大小直接影响接近传感的检测距离。
在其他设计不变的情况下，检测距离随着电极尺寸的增大而增大。
电极外观应尽可能光滑，避免直角或锐角，电极应尽可能完整。
在移动电话应用中，电极通常是矩形的，以最大化传感区域。
这时需要注意将电极的边角修圆。
电极应放置在FPC或ITO薄膜靠近触摸屏的一侧，背面的另一侧通常需要留出空间。
手机前壳对应电极背面的区域应避免大面积金属，否则会影响检测范围。
电极周围需要铺设地线，以增强电容参考、屏蔽噪声、提高感应方向的线性度。
电极与地线之间的建议距离为0.5mm至1mm。
地线的宽度根据具体情况而定。
建议不小于1mm。
从电极到芯片的引线应尽可能短且细，以减少寄生电容和耦合噪声。
影响系统性能的另一个主要因素是控制器。
我们选择了赛普拉斯采用全新 Quitezone 技术的可编程 CapSense 控制器 CY8C5。
Quitezone技术提供了无与伦比的抗辐射和传导噪声能力，并且具有超低功耗，使其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噪比（SNR），通过赛普拉斯的专利 CapSense Sigma-Delta (CSD) Plus 算法，可在高噪声环境下实现低至 0.1pF 的电容变化检测，非常适合近距离环境传感应用。
此外，CY8C5采用SmartSense自动调谐技术，可以实时动态补偿运行过程中的环境变化，从而保证性能稳定性和通道间的一致性。
2 硬件电路 本文设计的电容式接近传感电路图如图3所示。
CY8C5的外围电路非常简单。
最低配置仅需要 2 个电容器 - 调制电容器 C1 和去耦电容器 C2。
在该电路中，芯片的PIN 3连接到电极，用于采集电容信号。
建议在芯片附近串联一个典型值为欧姆的电阻，以抑制射频噪声。
手机等移动产品需要通过严格的ESD测试。
由于电极位于手机的上部，非常靠近手机、听筒、耳机插孔等边缘（图2），且电极面积比较大，ESD电弧很容易通过通过它。
这些开口或间隙进入手机内部并与电极耦合，对芯片引脚产生较大的电冲击，存在损坏引脚的风险。
本设计在靠近芯片的一侧增加了TVS等ESD保护元件，以保护芯片。
需要注意的是，所选TVS器件的电容不能太大。
CY8C5 提供 I2C 或 SPI 接口与主机通信。
本设计中，主机可以通过I2C总线配置传感参数、获取数据、关闭或唤醒芯片等，还可以进行芯片程序（Firmware）的在线升级。
在布局PCB或FPC时，调制电容和去耦电容需要尽可能靠近芯片引脚。
接线时注意避免电极引出I2C信号线和电源线平行。
如果无法避免，应在布线中间加地线作为隔离。
3 控制器内部逻辑 本文中的电容式智能手机接近传感解决方案是电容式检测技术在Cypress PSoC（可编程片上系统）平台上的新应用。
PSoC 技术围绕 MCU 内核集成了一系列可配置的模拟和数字外围设备。
它利用芯片内部的可编程互连阵列来有效配置芯片上的模拟和数字模块资源，以达到可编程片上系统的目的。
一个PSoC器件可以集成多达数百个外围功能，从而帮助客户节省设计时间和电路板面积，并降低功耗和系统成本。
整个系统的工作流程如图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滤波处理。
同时，内部状态机确定输出接近传感器的状态，并通过中断信号或I2C/SPI接口通知。
手机处理器。
下面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所示为CSD的原理框图。
开关电容在Ph1和Ph2阶段分别连接到Vdd和VA，因此我们可以将其视为等效电阻。
等效电阻Req通过Vdd对调制电容Cmod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对调制电容进行放电。
当调制电容上的电压降至Vref以下时，放电电阻Rb断开，调制电容继续充电。
这种充电和放电循环抑制了调制电容器上的电压在比较器参考电压Vref附近上下浮动。
同时，比较器会输出一组比特流。
这组比特流与 PWM 结合后，就可以得到感应电容的大小，如图 6 所示。
感应电容的增加会降低等效电阻，增加充电电流，从而缩短充电时间充电时间。
充电时间的缩短会增加占空比，如图7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，以增加检测距离。
因此，控制器需要设置足够长的采样周期来增大信号幅度，同时还需要设置较低的触发阈值。
提高灵敏度。
灵敏度提高意味着系统更容易受到噪声的影响。
因此，为了提高整个系统的信噪比，本文对原始信号采用了三种有效的软件滤波方法：中值滤波、均值滤波和IIR数字滤波来滤除噪声。
1。
中值滤波器 对于瞬间出现在单点或连续几个点的噪声，中值滤波器可以很好地过滤掉。
图 8 显示了三阶中值滤波器。
可以看出，采样后P3点会被中值滤波器滤掉。
在接近传感的实际应用中，由于采样率很快，经常会出现这种噪声。
中值滤波器可以很好地过滤。
同时，中值滤波器的输出信号也会使后续均值滤波器和IIR数字滤波器的输入信号更加稳定。
普通n阶中值滤波器的时间复杂度约等于n*n，因此其阶数不宜太高，应根据实际噪声情况合理选择。
图9比较了使用中值滤波器前后实际采集到的电容变化信号的差异。
红色是使用中值滤波器之前的信号，蓝色是使用中值滤波器（三阶）之后的信号。
2。
均值滤波器 均值滤波器利用一组采样数据的平均值来提高信噪比。
均值滤波器会使信号的幅度更加稳定，这也会使IIR数字滤波器的输入更加稳定，相位偏差更小。
然而，增加均值滤波器的阶数会增加接近感测的检测响应时间。
图 10 比较了使用平均滤波器之前和之后的信号。
红色是使用均值滤波器之前的信号，蓝色是使用均值滤波器（四阶）之后的信号。
3.IIR数字滤波器 IIR数字滤波器具有反馈，一般认为具有无限脉冲响应。
同时，IIR数字滤波器的幅频特性非常精确，但相位不是线性的。
也就是说，当使用IIR数字滤波器时，信号会更加平滑，但也会造成延迟，导致整个系统的实时性能下降。
图 11 描述了 IIR 数字滤波器的原理。
IIR数字滤波器在接近传感应用中尤为重要，因为接近传感需要极高的灵敏度，因此信号需要非常稳定和平滑。
虽然IIR数字滤波器会对整个系统的响应造成一定的延迟，但由于资源限制，软件滤波只能采用这种方法。
在图 11 中，yn = a * yn-1 b * xn。
对于系数a和b的选择，本文经过了大量的数据模拟，并且在此基础上还利用了Cypress的专利，实现了系数a和b的动态调整。
，从而显着降低了整个系统的响应延迟。
图12比较了使用IIR数字滤波器之前和之后的信号差异。
红色是使用IIR数字滤波器之前的信号，蓝色是使用IIR数字滤波器之后的信号。
从图中可以清楚地看到，经过IIR数字滤波器后的信号变得更加平滑，但同时产生了一定的延迟。
信号处理 在信号处理过程中，为了保证更大的信噪比，需要对信号和噪声进行很好的处理。
图 13 列出了信号和噪声。
同时，为了保证信号能够适应温度等外部条件的变化，在信号处理中引入了基线机制。
所有信号均基于基线，并随着外部环境的变化而更新。
更新的原理是当信号小于噪声水平时，更新基线。
一旦信号大于噪声水平，基线就不再更新。
状态判断 在距离传感的实际应用中，由于不同的客户有不同的需求，所以在处理整个状态机时需要遵循几个原则： 1、保证检测的可靠性。
2、保证在各种限制条件下最高的检测成功率。
3. 保持响应时间尽可能短。
总结 本文设计的电容式接近传感检测系统具有结构简单、成本低廉、易于调试和批量生产等优点，并且在检测距离、响应速度、稳定性等方面也具有较高的性能该设计已在知名客户的智能手机中量产。
检测距离接近17mm，典型响应速度为70ms，并通过了严格的ESD、EMC、温度等测试，实现了客户替代IR传感器的目标。
。
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