6 第4 步：硬件开发

设计成功的电容式触摸感应系统的第四步是为应用开发硬件。本节提供 CapTIvate MCU 的硬件开发指南。

步骤 4a：原理图设计检查清单

步骤 4a.1：VREG 引脚去耦电容器

VREG 是 CapTIvate 稳压器的去耦电容。所需去耦电容的建议值为 1µF，最大等效串联电阻 (ESR) ≤ 200mΩ。将 VREG 尽可能靠近 MCU 连接。

步骤 4a.2：DVCC 引脚去耦电容器

有关详细信息，请参阅器件特定的数据表。

步骤 4a.3：CAP I/O 上的串联电阻

这些是通用串联电阻，如果系统需要静电放电 (ESD) 保护，可与 TPD1E10B06 瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管配合使用。这些电阻器还有助于降低系统辐射并提高 RF 噪声抗扰度。

步骤 4a.4：EMI 噪声滤波电容器

出于抑制传导噪声的考虑，仅在互电容模式 RX 引脚上添加了 68pF 电容。额外的电容有助于最大限度地降低 EMI 的影响。如果启用了 DVCC 模式，该电容也有助于确保 RX 寄生电容 (Cp) 与 RX-TX 互电容 (Cm) 之比在数据表中规定的范围内。

步骤 4a.5：复位引脚电阻器和电容器

有关详细信息，请参阅器件特定的数据表。

步骤 4a.6：I²C 通信线路上拉电阻器

有关详细信息，请参阅器件特定的数据表。

步骤 4a.7：引导加载程序 (BSL)

请参阅器件特定的数据表和 MSP430 FRAM 器件引导加载程序 (BSL) 用户指南，了解详细信息。

步骤 4a.8：CAP I/O 引脚分配

每个 CAP I/O 引脚都可以配置为自电容或互电容传感器。要充分利用并行扫描功能，以降低总体功耗并提高响应速率，必须优化 CAP I/O 引脚分配。CapTIvate 设计中心具有自动分配功能，可在原理图设计之前优化 CAP I/O 引脚分配。您还可以使用 CapTIvate 设计中心评估现有引脚分配并尝试减少扫描周期数。Figure 7 显示了自动分配功能仅通过 3 个时间周期来优化 12 个按钮。

尝试使用所有可用的 CapTIvate 块来启用并行扫描。器件上的 CapTIvate 测量块的数量决定了可以同时测量的感应电极的数量。例如，如果在某个设计中器件有 4 个块和 6 个按钮，则Figure 8 显示了两个不同的引脚分配和所需的扫描周期。

如果器件支持专用 CAP I/O 引脚，请先将传感器分配给这些 CAP I/O。这可以保存 GPIO 以在应用中用作其他用途。

有关详细信息，请参阅 CapTIvate™ 技术指南的 CapTIvate 引脚选择部分。

步骤 4b：PCB 布局设计检查清单

步骤 4b.1：按钮（自电容）

• 自电容按钮传感器为单电极器件。自电容按钮布局简单，每个按钮仅分配给 MCU 上的一个引脚。
• 按钮尺寸范围为 3mm 至 15mm（方形按钮的边长，圆形按钮的直径），具体取决于所需的触摸面积。
• 自电容按钮的典型形状为矩形或圆形。

有关详细信息，请参阅自电容按钮设计。

步骤 4b.2：按钮（互电容）

• 互电容按钮传感器需要两个电极，一个作为 TX，另一个作为 RX。TX 在外部，RX 在内部。
• 按钮尺寸范围为 3mm 至 15mm（方形按钮的边长，圆形按钮的直径），具体取决于所需的触摸面积。
Figure 10. 互电容的按钮形状
• Figure 11 显示了一个优化布局，用于在具有 12 个互电容按钮的应用中选择 TX 和 RX 引脚。此布局经过优化，可减少引脚数和扫描周期。
Figure 11. 互电容矩阵

有关详细信息，请参阅互电容按钮设计。

步骤 4b.3：滑块和滚轮

• 当滑块和滚轮在所有电极上具有均衡的灵敏度时，其性能最佳。
• 电极的面积不如跨多个电极的覆盖百分比那么重要。交叉滑块和滚轮设计提供最有效和最佳的耦合，但创建起来可能很复杂。创建更简单的设计可以实现，但需要实验。
• 自电容滑块和滚轮
Figure 12. 自电容滑块和滚轮
• 互电容滑块和滚轮
Figure 13. 互电容滑块和滚轮

有关详细信息，请参阅滑块和滚轮设计。

步骤 4b.4：接近感应

接近传感器的感应范围取决于以下几个因素：

• 接近传感器的大小和形状
• 传感器配置调优值
• 周围导体
• 系统周围环境

有关详细信息，请参阅接近感应设计。

步骤 4b.5：传感器迹线

• 保持传感器迹线的宽度小于 8 密耳或 PCB 制造商允许的最小厚度
• 尽量减少传感器电极到控制器的传感器迹线长度
• 不要有 90° 转弯，因为急转弯可能会拾取噪声。
• 传感器迹线布线注意事项：
  • 尝试将传感器迹线布置到 PCB 的底层，以防用户干扰传感器迹线。
  • 不要在传感器迹线附近运行数字信号（如 PWM 信号）或布置通信线路（如 I²C 或 SPI）。建议将这些类型的信号与传感器迹线保持至少 4mm 的距离。如果数字信号和电容式触摸迹线必须交叉，则建议将交叉点保持 90 度角。

• 互电容布线注意事项：
  • 尽可能避免在 RX 线附近布置 TX 线。如果无法避免在同一层上布置 TX 和 RX，请在 TX 和 RX 之间放置接地迹线。如果 TX 需要穿过 RX，则将迹线的走线布置到它们彼此垂直的方向。
  • 将 TX 线连接到其他 TX 线旁边。将 RX 线连接到其他 RX 线旁边。
  • 保持接地与 TX 和 RX 迹线的距离为面板厚度的一半。

步骤 4b.6：LED

驱动 LED 的信号（除非 LED 需要高强度驱动器）与其他数字信号类似。与数字信号一样，避免将 LED 信号放在传感器迹线附近。TI 建议 S_LED 的距离至少为 4mm（参见Figure 16）。

有关详细信息，请参阅 LED/LED 背光。

步骤 4b.7：接地覆铜

• 在传感器电极附近添加接地覆铜时，需要在保持高传感器灵敏度和提高系统的噪声抗扰度之间进行权衡。
• 使用网格状覆铜而不是实心接地覆铜是一种很好的设计实践。网格状覆铜减少了来自接地覆铜的寄生电容。通常，25% 的填充网格就足够了，但这个百分比可以增加或减少，以分别提高噪声抗扰度或灵敏度。
• 在设计任何尺寸或形状的按钮、滑块或滚轮时，控制任何传感器与接地覆铜之间距离的灵活方法是在传感器周围提供多边形切口区域（参见Figure 17）。从传感器到周围接地的间隙可以是 0.5mm 到 2mm，并且通常等于覆层厚度的一半。
Figure 17. 接地覆铜

有关详细信息，请参阅接地平面。

步骤 4b.8：防潮湿和耐液体性

• 防潮湿和耐液体性：系统设计为在检测到湿气或液体时阻止传感器检测。请参阅防潮湿设计注意事项。
• 防潮湿和耐液体性：系统设计为在暴露于湿气或液体时能够正常工作，但传感器间距和传感器放置方向会受限制。请参阅耐液体电容式触摸键盘参考设计。

步骤 4c：机械设计

Table 11 是机械设计检查清单。

步骤 4c.1：覆层

材料和厚度

• 覆层材料的介电常数 (ε_r) 和厚度在确定传感器表面的电场强度方面起着重要作用。
• 介电常数决定了电场在材料中的传播效率，覆层与传感器之间的距离决定了电场到达目标接触区域的程度。例如，如果所有其他因素相同，ε_r 为 4 的 5mm 覆层与 ε_r 为 2.5mm 覆层具有相似的灵敏度。
• 导电材料会干扰电场。我们建议不要使用导电材料（包括导电涂料）的覆层。

层叠和边界

• 确保覆层和传感器电极之间有良好的接触，以确保良好的灵敏度和可靠的性能。始终避免传感器电极和覆层之间的空隙，特别是在互电容设计中。如果机械叠层需要间隙，请使用填充材料。压敏胶带可填充狭窄的间隙，机械弹簧可填充较大的间隙。

互电容设计中不允许有空隙。

• 最常见的边界方法是使用不导电的光学透明粘合膜，这可以通过消除空隙来提高灵敏度。使用的典型粘合剂是 3M™ 200MP、467MP 和 468MP。

有关详细信息，请参阅覆层设计和间隙注意事项。

步骤 4c.2：外壳

外壳的选择取决于产品工业设计以及电容式触摸子系统的要求。例如，在耐潮湿电容式触摸设计中，如果可能，应使用非导电外壳。但是，可以连接到地面的金属外壳更适合 ESD 放电。

步骤 4c.3：连接器

• 如果可能，请勿在传感器和 MCU 之间使用连接器，因为寄生电容与连接器 PCB 的占用空间和结构有关。
• 如果可能，将 MCU 放在触摸传感器 PCB 上，并将电源和通信线路通过连接器连接到主 PCB。
• 柔性 PCB 或 FPC 可用作 PCB 之间的互连，但要确保产品运行期间的机械稳定性。

有关详细信息，请参阅连接器注意事项。

步骤 4c.4：传感器材料

• 常见的传感器电极材料包括 PCB、FPC、铜带、导线和 ITO。
• 当使用铜带或导线作为传感器电极时，不要使其靠近金属外壳或系统中的其他噪声信号。

有关详细信息，请参阅电极和迹线材料。