- 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(shuō)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(lái)發(fā)表了四方形控制器的任天堂娛樂(lè)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(kāi)發(fā)出來(lái)的重大改變。
從那時(shí)開(kāi)始，控制器就開(kāi)始變得越來(lái)越復(fù)雜?，F(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)的游樂(lè)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(lái)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(jué)，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(kāi)始投入資金來(lái)推廣其用途，并已開(kāi)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(jiàn)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(jiàn)。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(wú)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(kāi)」（on）與「關(guān)」（off）。按鍵的大小決定了它的靈敏度，依照慣例來(lái)說(shuō)，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(lái)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(shuō)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(lái)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(wú)手指觸碰所產(chǎn)生不同的計(jì)數(shù)值，來(lái)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(lái)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(lái)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(kāi)關(guān)SW2為開(kāi)路而開(kāi)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(kāi)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(lái)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(wú)手指觸碰所產(chǎn)生不同的計(jì)數(shù)值，來(lái)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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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(kāi)關(guān)，并簡(jiǎn)化零件組合與提升視覺(jué)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(wú)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(lái)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(lái)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(jué)的控制方式來(lái)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(wú)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(lái)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(wú)線無(wú)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(wú)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(kāi)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(jué)式開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)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。
