- 電容式感測(cè)技術(shù)概觀
- 電容式感測(cè)技術(shù)細(xì)節(jié)說明
- 弛張震蕩器（RelaxationOscillator）
- 連續(xù)近似法（SuccessiveApproximation）
- 基線重新測(cè)定（BaselineRecalibration）
- 感測(cè)器觸發(fā)（SensorActivation）
雖然多數(shù)電玩游戲的開發(fā)都著重在軟件和處理器上，但許多重大的創(chuàng)意和前瞻想法都與控制器相關(guān)。由于游戲系統(tǒng)及周邊廠商努力改善玩家與其系統(tǒng)互動(dòng)的方式，因此無論是在人體工學(xué)、風(fēng)格、功能或是特色等方面都不斷地在開發(fā)改進(jìn)。
尋找新的典范
我們可能都還記得具備四方形底座的Atari最早期控制器，其中央有一根搖桿，旁邊還有一顆按鍵的設(shè)計(jì)，這對(duì)于當(dāng)時(shí)的電玩游戲而言已相當(dāng)足夠。因?yàn)楫?dāng)時(shí)所需要的只有基本的方向控制和一個(gè)選擇按鍵，就可以進(jìn)行游戲，而這個(gè)控制器則完全符合所需。任天堂后來發(fā)表了四方形控制器的任天堂娛樂系統(tǒng)（NintendoEntertainmentSystem），其中方向按鍵取代了搖桿，而且還增加第二顆按鍵，這是以現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)出來的重大改變。
從那時(shí)開始，控制器就開始變得越來越復(fù)雜?，F(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)的游樂器主機(jī)控制器上具備比以往更多的按鍵，而且每個(gè)按鍵都擁有更強(qiáng)大的功能。具備壓力感應(yīng)間斷作用的按鍵讓其觸發(fā)作用獲得更好的控制，尤其對(duì)于駕駛類電玩游戲中的煞車與加速控制特別有用。而按鍵組合在格斗游戲中也常被用來啟動(dòng)特殊功能與動(dòng)作。震動(dòng)功能（rumble-packs）則讓玩家能體驗(yàn)真實(shí)感覺，而不再只是聲光效果而已。由于搖桿具備的卓越模擬功能性，讓其在最新的控制器上重現(xiàn)生機(jī)。
電容式感測(cè)技術(shù)是最新的介面技術(shù)，能提高游戲控制器的可用性，以及最炫的機(jī)械設(shè)計(jì)。
電容式感測(cè)技術(shù)概觀
電容式感測(cè)最常用于個(gè)人電腦觸控板與可攜式媒體播放器上。手機(jī)制造商也開始投入資金來推廣其用途，并已開發(fā)出數(shù)種機(jī)型銷售上市。簡(jiǎn)單的架構(gòu)、裝置防水性及堅(jiān)固的機(jī)械式設(shè)計(jì)等都是電容式感測(cè)介面極具吸引力的特性。
■方法
要達(dá)到電容式感測(cè)效果有好幾種方式，但基本的要素卻固定不變。其中，電容式感測(cè)器不過是在印刷電路板中連接至控制器電路上的銅片（pad）。感測(cè)按鍵與其連接導(dǎo)線的組合會(huì)在其周圍產(chǎn)生電容。設(shè)計(jì)時(shí)所考量的接地面、金屬支撐裝置、還有其他電子與機(jī)械元件都會(huì)影響感測(cè)器的電容值。一般認(rèn)為感測(cè)器電容值等同于它與接地面之間的電容值。當(dāng)具有導(dǎo)電性的觸發(fā)物質(zhì)（例如手指）靠近感測(cè)器到一定程度時(shí)，該電容值就會(huì)增加。這是因?yàn)閷?dǎo)體本身會(huì)在感測(cè)器與接地面之間產(chǎn)生更多可能的路徑，愈多的路徑則會(huì)產(chǎn)生愈多的場(chǎng)線，這樣一來就會(huì)提高整個(gè)電容值。
在電容式感測(cè)器的前端是由切換式電容器（switchedcapacitors）、內(nèi)部電流源或是具有外部電阻器的電壓源所組成。這些方法都是為了要在感測(cè)電容器上輸入電壓值。而該電壓值可透過ADC、或由比較器所構(gòu)成的充電時(shí)間量測(cè)電路之處理，然后到達(dá)計(jì)數(shù)器或計(jì)時(shí)器。數(shù)字輸出值被電容式感測(cè)系統(tǒng)的資料處理和決定（decision-making）所使用時(shí)，則會(huì)在ADC輸出值中產(chǎn)生轉(zhuǎn)變或在電容質(zhì)中的計(jì)數(shù)值產(chǎn)生模擬轉(zhuǎn)變。稍后我們會(huì)深入討論常用的兩種方法，也就是弛張震蕩器（relaxationoscillation）以及連續(xù)近似法（successiveapproximation）。
■實(shí)際建置
要在實(shí)際的設(shè)計(jì)中建置一個(gè)電容式感測(cè)器并不難。如上所述，電容式感測(cè)器不過就是在印刷電路板上放置一塊導(dǎo)體片，通常是銅片。而這塊導(dǎo)體片經(jīng)由觸發(fā)物質(zhì)—通常是手指，不僅能直接連結(jié)至控制元件；并可以直接與其互動(dòng)。感應(yīng)板則置于感測(cè)區(qū)域正下方的一層覆蓋層（overlay）表面上。感測(cè)器與覆蓋層之間最好不要有任何空氣，而且要用不導(dǎo)電的接合劑將感測(cè)器基板緊緊黏附在覆蓋層上。控制電路可以設(shè)置于感測(cè)器附近，而且越近越好。感測(cè)器在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的需求決定了控制電路的配置。感測(cè)器與控制電路距離越遠(yuǎn)，則感測(cè)器與接地面間的原生電容值就會(huì)隨之增加，因?yàn)閷?dǎo)線會(huì)與周圍環(huán)境互動(dòng)，并進(jìn)而增加電容值；距離越長(zhǎng)，增量就越明顯。雖然要規(guī)定出最大的距離并不容易，但一般來說，6到12英吋可算是功能上限了。
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電容感應(yīng)應(yīng)用裝置的基板并非固定的；其中，最常見的設(shè)計(jì)是具備銅導(dǎo)線的基本FR4印刷電路板。此外，附有銅片的彈性印刷電路板（通常用聚亞醯胺薄膜—Kapton）也很常見。彈性基板能夠讓機(jī)械設(shè)計(jì)更為容易，尤其是在彎曲的表面上。印刷在彈性物質(zhì)上如碳或銀的導(dǎo)電墨水，能以極低的成本制作電容式感測(cè)器，但這當(dāng)中會(huì)因?yàn)閺椥晕镔|(zhì)無法上銲錫，而需要控制印刷電路板以及連接器。透明的導(dǎo)電物質(zhì)，例如氧化銦錫（IndiumTinOxide；ITO）也快速地被廣泛使用在觸控式螢?zāi)坏膽?yīng)用中。ITO感測(cè)器會(huì)被印刷在玻璃或是聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯（PET）薄膜上，然后再結(jié)合上最終的設(shè)計(jì)成品。雖然目前已有玻璃覆晶（chip-on-glass）用于控制這類的應(yīng)用，但是在印刷電路板上使用彈性連接器或是熱把焊接（hotbarsoldering）卻是更經(jīng)濟(jì)的方法。
■電容式輸入
電容式感測(cè)器有好幾種型式，最基本的電容式感測(cè)器就是按鍵，也就是連接到控制電路的單一銅片。這類按鍵具備類比功能，但其主要輸出還是數(shù)位的「開」（on）與「關(guān)」（off）。按鍵的大小決定了它的靈敏度，依照慣例來說，較大的按鍵具備較高的靈敏度。而按鍵尺寸則會(huì)受到手指大小的限制，因?yàn)楹苄〉氖种割^只能與一個(gè)大尺寸感應(yīng)器的局部進(jìn)行互動(dòng)。以標(biāo)準(zhǔn)直徑7mm的按鍵而言，10mm的覆蓋層厚度就已足夠。
滑桿（sliders）其實(shí)就是直線或呈放射狀的電容式感測(cè)器陣列。量測(cè)整個(gè)陣列的電容值變化，并配合內(nèi)插法（interpolateposition）就能得到比感測(cè)器本身更高的解析度。內(nèi)插法運(yùn)用了每個(gè)感測(cè)器的類比特性。手指會(huì)與滑桿感測(cè)器其中一部份進(jìn)行互動(dòng)，而在中央?yún)^(qū)域的感應(yīng)所造成的電容變化較高，而在兩端點(diǎn)則較低。而利用基本的資料處理就可依據(jù)電容值變量來統(tǒng)計(jì)觸發(fā)物的中心位置?；瑮U的解析度受限于本身的電容變化與演算法?；瑮U與按鍵型的電容式感測(cè)器應(yīng)用原理一樣，感測(cè)器越大越靈敏。重要的是，觸發(fā)物會(huì)增加多個(gè)感測(cè)器的電容值，而感測(cè)器的形狀也可能會(huì)增加多個(gè)電容感應(yīng)的變化量。此外，與按鍵一樣，靈敏度的限制很難推算，一般建議會(huì)用最大4mm厚的覆蓋層。
觸控板是由縱向與橫向兩組滑桿陣列所構(gòu)成，這兩組滑桿的組合構(gòu)成一個(gè)可接受觸發(fā)物的平整觸控表面。同樣的，此處的橫向與縱向滑桿也都採(cǎi)用了內(nèi)插法計(jì)算觸發(fā)物的位置。由于觸控板內(nèi)的每個(gè)感測(cè)器的感應(yīng)面積較小，靈敏度也因而相對(duì)降低。依照觸控板的大小與更新速率的不同，此處覆蓋層可達(dá)2mm厚。
近距感測(cè)器基本上就是很大的按鍵，它是利用較大的感測(cè)器偵測(cè)更遠(yuǎn)距離外的大型觸發(fā)物體。假如一根手指頭可以隔著10mm厚的覆蓋層上的按鍵而被偵測(cè)到，那整個(gè)手掌就可以隔著150mm的距離及數(shù)公厘的覆蓋層被偵測(cè)到。近距感測(cè)器的精確度不如按鍵、滑桿或觸控板；此外，它在偵測(cè)稍微有點(diǎn)距離的導(dǎo)體時(shí)，也會(huì)需要較長(zhǎng)的掃瞄時(shí)間。
電容式感測(cè)技術(shù)細(xì)節(jié)說明
電容式感測(cè)的方法相當(dāng)值得深入探討。
■弛張震蕩器（RelaxationOscillator）
弛張震蕩器已有數(shù)十年的歷史，其前端采用一個(gè)感測(cè)電容器、一個(gè)可編程電流DAC（IDCA）及一個(gè)比較器與重置開關(guān)。雖然也可以用555這顆計(jì)時(shí)器，但PSoC具備掃瞄更多個(gè)內(nèi)建感測(cè)器之能力，而本身的微控制器和專屬軟件讓此功能更為簡(jiǎn)易。震蕩器后端有一個(gè)脈寬調(diào)變器（pulse-widthmodulator）和一個(gè)計(jì)時(shí)器。量測(cè)電容值其實(shí)就是計(jì)算該電容透過電流源充電至某一臨界電壓所需的時(shí)間，如(圖一)。
(圖一) 以弛張震蕩器量測(cè)電容值
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步驟一
感測(cè)電容器CX與電流源都連接至一個(gè)類比多工匯流排上，其中電流源決定了感測(cè)電容器中充電的速率。而該電容器兩端電位差會(huì)隨著充電電荷累積到匯流排而產(chǎn)生線性增長(zhǎng)，其關(guān)系式為q＝CV。
步驟二
當(dāng)感測(cè)電容器的電位差到達(dá)某一臨界電壓VREF的時(shí)候，SW1就會(huì)變成閉路并接地釋放電容器上的電荷。而比較器輸出端的延遲，則為開關(guān)啟動(dòng)提供遲滯作用，讓感測(cè)電容器可以完全轉(zhuǎn)向接地。
重復(fù)步驟一和二，電容器的電壓就會(huì)呈現(xiàn)鋸齒狀波形，其最高電壓值為VREF。而比較器的輸出波形則是周期相同的脈波串，其延遲值則處于高值（HIGHTIME)。
步驟三
比較器的輸出用來作為脈沖寬度調(diào)變（PWM)的時(shí)脈，并進(jìn)而成為使用高速內(nèi)部時(shí)脈計(jì)時(shí)器的極閘。當(dāng)PWM產(chǎn)生插斷訊號(hào)時(shí)，計(jì)時(shí)器上的值就可以被讀取并且儲(chǔ)存該輸出值。
計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值與CX的尺寸成正比，因?yàn)樵贑X上越大的電容也代表越長(zhǎng)的PWM充電時(shí)間，更淺的訊號(hào)以及更慢的時(shí)脈，而也連帶使得計(jì)時(shí)器輸出值更大。最后，藉由感測(cè)器因有無手指觸碰所產(chǎn)生不同的計(jì)數(shù)值，來判斷電容的量測(cè)值。
■連續(xù)近似法（SuccessiveApproximation）
已由Cypress申請(qǐng)專利的連續(xù)近似法，則利用PSoC元件進(jìn)行建置，其中採(cǎi)用了一個(gè)電容對(duì)電壓轉(zhuǎn)換器，以及單斜率型（singleslope）ADC。將電容轉(zhuǎn)換成電壓值，并將此電壓儲(chǔ)存至電容器上，然后利用可調(diào)式電流源量測(cè)該儲(chǔ)存電壓，即可得到電容的量測(cè)值，如(圖二)。
(圖二) 以連續(xù)近似法量測(cè)電容值
電容對(duì)電壓轉(zhuǎn)換器乃是利用切換式電容器技術(shù)。這套電路可以把感測(cè)電容器的電壓轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)感測(cè)器的電容值。而切換式電容器的時(shí)脈則是來自于PSoC內(nèi)部的主要震盪器。
步驟一
感測(cè)電容器CX連接至一個(gè)模擬多工匯流排上，其中感測(cè)器電容值與匯流排電容值是平行連結(jié)且互相共享電容值。此匯流排上還連接了一組可編程IDAC來為這些電容器充電。雖然電容器兩端電位差一樣，但內(nèi)含的電荷量卻不同，由下列關(guān)系式的定義即可發(fā)現(xiàn)：
公式一
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步驟二
當(dāng)開關(guān)SW2為開路而開關(guān)SW1為閉路時(shí)，將使得CX上的電壓成為零，而匯流排上的電荷量就會(huì)少掉原本CX所含的電荷量。IDAC則仍會(huì)對(duì)模擬多工匯流排的電容器充電。
重復(fù)步驟一與二，CX的切換式電容器就會(huì)變成電流負(fù)載，其值則與該電容值有關(guān)：
步驟三
當(dāng)切換式電容器線路運(yùn)作時(shí)，IDAC就可以完成分類工作。此處IDAC利用二元搜尋法（binarysearch）決定出一個(gè)附加CX的匯流排之恆定電壓值。這表示感測(cè)器將電壓從匯流排引開的量為：
公式二
而匯流排電壓結(jié)果是根據(jù)切換頻率、感測(cè)器電容值以及IDAC電流所決定的。CBUS可作為旁路電容器（bypasscapacitor），來穩(wěn)定所產(chǎn)生的電壓。匯流排上的電容值可增加以進(jìn)一步提升穩(wěn)定度。外部電容器則會(huì)影響效能與時(shí)序等需求。
步驟四
隨著無指觸的感測(cè)器上所對(duì)應(yīng)的IDAC值，感測(cè)電容器又會(huì)經(jīng)由SW2而再次與匯流排連接。此時(shí)IDAC對(duì)匯流排充電，而且會(huì)開始量測(cè)之電容值由原先的電壓值轉(zhuǎn)到比較器臨界值所需的時(shí)間，計(jì)時(shí)工作則是由一個(gè)16位元的計(jì)時(shí)器與內(nèi)部主震蕩器完成。此處會(huì)得到新的電壓對(duì)應(yīng)電容器的關(guān)系式，如(圖三)：
公式三
其中CP是感測(cè)器的原生電容值，而CF是觸發(fā)物（手指）接近感測(cè)器所增加的電容值。
當(dāng)連接至匯流排的感測(cè)電容器比較大時(shí)（例如用手指觸碰感測(cè)器），匯流排上的電壓會(huì)下降較多，而且量測(cè)充電開始處的電壓也比較低。由于采用的是恆流電源，因此要達(dá)到臨界電壓所需的時(shí)間也比較長(zhǎng)。最后，藉由感測(cè)器因有無手指觸碰所產(chǎn)生不同的計(jì)數(shù)值，來判斷電容的量測(cè)值。
(圖三) 電壓對(duì)應(yīng)時(shí)間關(guān)系圖
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■高階處理程序
關(guān)于感測(cè)器觸發(fā)、環(huán)境重新測(cè)定、滑桿與觸控板的質(zhì)心計(jì)算以及其他處理程序等種種決定，所採(cǎi)用的計(jì)數(shù)方式皆因感測(cè)器不同而有各自基線。每個(gè)感測(cè)器的基線值經(jīng)計(jì)算、儲(chǔ)存后即可用于更為強(qiáng)固的決策形成上。
˙基線重新測(cè)定（BaselineRecalibration）
環(huán)境條件的改變會(huì)多方面影響感測(cè)器計(jì)數(shù)值。參考電壓的臨界值會(huì)隨溫度而變，覆蓋層物質(zhì)、印刷電路板的電介質(zhì)常數(shù)也會(huì)受溫度影響，而改變感測(cè)器電容值。熱漲冷縮的效應(yīng)亦會(huì)改變電容值。累積在覆蓋層表面的灰塵污垢也會(huì)影響其電介質(zhì)特性與電容值。此外，空氣中的濕氣也會(huì)影響感測(cè)器而產(chǎn)生些許干擾噪音。
韌體技術(shù)可以用來解決因電容值與電路系統(tǒng)改變而造成計(jì)數(shù)值的小變動(dòng)。其實(shí)計(jì)數(shù)改變式時(shí)常會(huì)發(fā)生的情況。對(duì)內(nèi)含12MHz內(nèi)部主要震盪器的微處理器而言，幾秒鐘已算是相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。針對(duì)這些技術(shù)的討論就已將相當(dāng)花時(shí)間了，而無限脈沖響應(yīng)（infiniteimpulseresponse；IIR）濾波器以及連續(xù)近似法只是諸多方法中的兩種。
˙感測(cè)器觸發(fā)（SensorActivation）
電容式感測(cè)器利用基線值和一連串的臨界值來決定感測(cè)器的觸發(fā)狀態(tài)。觸發(fā)區(qū)域的上下限能對(duì)感測(cè)器的觸發(fā)產(chǎn)生遲滯作用。要觸發(fā)感測(cè)器就必須要超越較高的臨界值，而且被觸發(fā)的狀態(tài)會(huì)一直持續(xù)到計(jì)數(shù)值降到較低的臨界值以下為止，如(圖四)。
(圖四) 感測(cè)器觸發(fā)與電容值變化
第三臨界值可消除系統(tǒng)周遭的干擾噪音，并且減少手指在基線重新測(cè)定上的影響；而噪音臨界值（noisethreshold）則用來忽略計(jì)數(shù)（電容）值的小變化。此外，若手指觸碰感測(cè)器時(shí)，雜訊臨界值則是停止當(dāng)時(shí)的基線測(cè)定動(dòng)作。若手指觸碰感測(cè)器且感測(cè)器重新測(cè)定同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，則手指則對(duì)感測(cè)器基線產(chǎn)生極大的影響。
˙滑桿與觸控板的質(zhì)心計(jì)算
就算是用很小的計(jì)數(shù)值也能計(jì)算滑桿與觸控板的質(zhì)心。質(zhì)心計(jì)算能利用乘算器與計(jì)數(shù)值來設(shè)定其解析度。
每個(gè)感測(cè)器的計(jì)數(shù)值都會(huì)乘上某一個(gè)設(shè)定值，而這些結(jié)果的總平均就可以推算出質(zhì)心值。
針對(duì)觸控板方面，則是分別計(jì)算其中縱向與橫向滑桿的質(zhì)心值。
整合
電容式感測(cè)技術(shù)可輕易地運(yùn)用在電玩控制器的應(yīng)用中。按鍵控制尤其簡(jiǎn)單，只需將原本機(jī)械式按鍵用具有相似電路面積的電容式按鍵取代即可。電容式按鍵因具備模擬功能，所以手指按得越用力，與感應(yīng)器覆蓋層的互動(dòng)面就會(huì)越大，因而增加感應(yīng)器與接地部分的觸發(fā)面積，如此將造成更強(qiáng)的信號(hào)和更高的計(jì)數(shù)值。
針對(duì)操控臺(tái)本身，電容式按鍵也可以取代面板上原有的按鍵和開關(guān)，并簡(jiǎn)化零件組合與提升視覺風(fēng)格。而且由于面板上的按鍵較主機(jī)上的按鍵更為分散，因此可用較大的電容式按鍵以獲得更好的靈敏度。
電容式滑桿雖然無法直接應(yīng)用在電玩控制器上，但仍可附加在控制器或操控臺(tái)上，以用來控制選單查詢。在駕駛類游戲中的控制油門功能也可用它來取代原有的單一模擬按鍵。此時(shí)就不是靠按的力量，而是以上下滑動(dòng)手指這種更具直覺的控制方式來決定速度。
觸控板是最接近搖桿的介面型式，因?yàn)樗邆涠S（甚至三維）的控制維度，而且提供非機(jī)械式、比搖桿更堅(jiān)固的控制架構(gòu)。此外，觸控板亦能提供更有趣、更具市場(chǎng)性的新介面。
近距感測(cè)技術(shù)則可用于無線控制器的省電功能上。對(duì)于一些以電池供電的應(yīng)用而言，功耗是一項(xiàng)非常重要的考量要素。近距感測(cè)器可以用來關(guān)閉裝置中暫時(shí)不用的主要控制器。當(dāng)近距感測(cè)器偵測(cè)到手指靠近時(shí)，控制器的無線無線電可啟動(dòng)并與操控臺(tái)接收器通信。藉由關(guān)閉控制器的無線電，即可節(jié)省可觀的電力，而且也不再需要固接線路的電源開關(guān)。
PSoC混合信號(hào)陣列（MixedSignalArray）是一套可配置式的數(shù)字與模擬資源陣列、快閃存儲(chǔ)器與RAM、一個(gè)8位元微控制器、還有其他許多功能。這些功能讓PSoC可在其CapSense系列元件中建置各種創(chuàng)新電容式感測(cè)技術(shù)。利用PSoC的直覺式開發(fā)環(huán)境來配置或重新配置元件設(shè)計(jì)，可以符合設(shè)計(jì)規(guī)格與規(guī)格變更之需求。新的感測(cè)技術(shù)展現(xiàn)了更好的靈敏度與抗干擾能力，并能降低功耗、提升更新速率。
