触摸传感器

文章目录

  • 触摸传感器
    • 1. 触摸传感器简介
      • 1.1 触摸传感器结构
      • 1.2 触摸传感器原理
      • 1.3 触摸传感器的灵敏度优化
      • 1.4 esp32检测过程
    • 2. 触摸传感器框图剖析
      • 2.1 触发源
      • 2.2 触摸传感器控制器
      • 2.3 触摸传感器执行器
      • 2.4 处理器
    • 3. 触摸传感器配置流程
      • 3.1 触摸传感器初始化
      • 3.2 配置触摸传感器参数
        • 3.2.1 配置触发模式
        • 3.2.2 设置充放电参数
        • 3.2.4 设置IIR滤波器
        • 3.2.5 载入配置
      • 3.3 配置相关的gpio
      • 3.4 配置触发阈值
      • 3.5 配置相关中断
    • 4. 触摸传感器实验
      • 4.1 脉冲读取实验
        • 4.1.1 实验目的
        • 4.1.2 软件设计
      • 4.2 基于轮询的触摸按键检测实验
        • 4.2.1 实验目的
        • 4.2.2 硬件设计
        • 4.2.3 软件设计
          • 4.2.3.1 定义相关的宏
          • 4.2.3.2 定义相关的数据结构体
          • 4.2.3.4 触摸传感器的使能函数
          • 4.2.3.3 触摸传感器的配置
          • 4.2.3.4 按键状态监测
          • 4.2.3.5 主函数
        • 4.2.4 完整代码
          • 4.2.4.1 bsp_touch.h
          • 4.2.4.2 bsp_touch.cpp
          • 4.2.4.4 main
    • 5.参考资料

1. 触摸传感器简介

  关于触摸传感器原理非常详细的介绍可以看官方的文章，“ESP32 触摸传感器应用方案简介”。这里做简要讲解。

1.1 触摸传感器结构

  我们先来看触摸传感器的结构[3]。

  典型的触摸传感器结构包括: 保护层、触摸电极、绝缘基板、走线

  • 保护层:保护层位置处在触摸电极的上层，必须是绝缘的，起到保护电极的作用。但是保护层也会使得触摸灵敏度下降
  • 触摸电极：触摸电极与gnd形成电容，这个电容量用于指示电极有没有被触摸。
  • 绝缘基板：绝缘基板主要对触摸电极起支撑作用
  • 走线：走线会引入干扰和寄生电容，在pcb设计的时候，走线一定要尽可能的短。

1.2 触摸传感器原理

  我们知道一个显而易见的道理，就是在充电电流一定的情况下，给电容充电到相同电压，电容容量越大，充电时间越长。其实触摸传感器就是利用这个原理设计的。

  我们需要了解的是，构成触摸传感器电容量的要素有那些[3]：

电容组成 说明
Cground 触摸电路参考地和大地之间的电容
Ccomponet ESP32 内部寄生电容
Ctrace 走线与电路参考地之间的寄生电容
Celectrode 触摸电极与电路参考地之间的寄生电容
Ctouch 手指与触摸电极所形成的相对于大地的触摸电容

  这其中起到最主要作用的就是触摸电极和参考地之间的电容。当手指触摸到触摸电极的时候，手指与触摸电极之间也会形成电容，增大了触摸电极处的整体电容量。这样的话，对触摸电极进行充电的时候，充电时间就会变长。

   图A是无手指触摸的充电特性曲线，图B是有手指触摸的充电特性曲线。利用这个充电时间的长短，我们就可以判断触摸电极有没有被触摸

1.3 触摸传感器的灵敏度优化

  同时，我们也注意到，影响触摸传感器灵敏度的决定性因素，其实就是触摸电容和寄生电容之间的相对大小。如果触摸电容相对较大，手指触摸以后，整体电容就有明显变化，充电时间也就有明显差异。

  因此，如果要提高触摸按键的灵敏度，我们应该减少寄生电容，并且尽量增加触摸电容。

电容类型 组成 电容优化方向 优化方法
寄生电容 Cp Ctrace + Celectrode + Ccomponet 减少 减少走线长度，优化 PCB 布局
触摸电容 Ctouch 增加 覆盖层与电极紧密贴合，选用介电常数大的覆盖层，减少覆盖层厚度，增大触摸电极的面积
固定电容 Cground - -

1.4 esp32检测过程

   esp32的触摸传感器检测原理上，大致也是采取的上述原理。

  当检测开始的时候，触摸传感器的引脚会产生一段时间的三角波，对触摸电极进行不断的充放电，然后esp32会把这段三角波每一个变化周期记录为一个脉冲，最后统计这段时间内产生的脉冲数量。如果手触摸的电极，充电时间变长，脉冲数会减少。因此，设定一个阈值，如果测定的脉冲数量小于阈值，就可认为电极被触摸了。

2. 触摸传感器框图剖析

  触摸传感器可以分为四个功能模块

  • (1):触发源
  • (2):触摸传感器控制器
  • (3):触摸传感器执行器
  • (4):处理器

2.1 触发源

  触摸传感器如果想要发出检测三角波，需要有一个触发源，告诉触摸传感器什么时候发出这个检测电波。

  触发源包括硬件触发和软件触发。可以通过touch_pad_set_fsm_mode() 进行设置

 硬件触发是指，启动一个定时器，每隔一段时间就自动发送一段检测电波。

 软件触发是指，默认情况下不发送检测电波，只有运行touch_pad_read_raw_data() 等需要获取脉冲数的相关函数的时候，才会发送检测电波进行触摸检测。

2.2 触摸传感器控制器

  触摸传感器控制器的主要功能是使能相应的触摸传感器，并且对产生的三角波特性进行配置。包括：

  • 使能相应的控制器及引脚
  • 设定每次发送检测电波的持续时间
  • 设定触摸传感器的触发阈值
  • 设定输出检测电波的电压范围
  • 与下游执行器发送指令与交互数据

2.3 触摸传感器执行器

  执行器主要完成的任务是，当接收到控制器传输来的检测电波发送命令的时候，按照控制器的设定，进行输出。同时，对输出的电平进行测量，记录产生的脉冲数量，然后把数据返回给控制器

2.4 处理器

  处理器主要是处理控制器产生的请求，包括

  • 脉冲计数达到阈值的时候产生的中断请求
  • 触摸传感器产生的cpu唤醒请求。

3. 触摸传感器配置流程

3.1 触摸传感器初始化

//初始化传感器驱动程序touch_pad_init();

3.2 配置触摸传感器参数

3.2.1 配置触发模式


//设置硬件触发
touch_pad_set_fsm_mode(TOUCH_FSM_MODE_TIMER);

3.2.2 设置充放电参数


//设置充电门限，必须设置
touch_pad_set_voltage();//设置充电速率，非必须touch_pad_set_cnt_mode();//设置测量时间，非必须touch_pad_set_meas_time();
  • 充电门限

  用户可以设置触摸传感器内部电路充放电的电压门限、高电压衰减值（HATTEN）。门限的范围越小，脉冲计数值越大。但门限过小会导致读数的稳定性变差。选择合适的门限电压可以提高读数的稳定性。

  下图是示波器抓取某一触摸管脚上的充放电电压波形，不同的电压参数的对比。

电压参数为：refh = 2.4V, refl = 0.8V, atten = 0V。

电压参数为：refh = 2.4V, refl = 0.8V, atten = 0.5V。

   可以看到，高电压衰减使得能够达到的最大值减小了。

   不同电压值对稳定性和灵敏度有一定的影响，门限电压范围越大，系统抗干扰能力越强。电压值建议选择 (refh = 2.7V, refl = 0.5V, atten = 0V) 或者 (refh = 2.4V, refl = 0.8V, atten = 0V) 组合。
  如果高电压门限在供电电源允许范围内，衰减值应设置为 0V。

  • 测量时间

  • 充电速率

  充电速率是通过调节充电电流大小进行调整的。高的充放电电流会增加抗干扰能力，建议选择 TOUCH_PAD_SLOPE_7。

3.2.4 设置IIR滤波器

touch_pad_filter_start(10);

  ESP32 触摸传感器驱动包含无限脉冲响应滤波器（IIR）功能，用户可以使用此接口读取滤波之后的脉冲计数值。IIR 产生与 RC 滤波器相类似的阶跃响应。 IIR 滤波器能够衰减高频噪声成分，并忽略低频信号。下图是手指触摸响应的波形。

  用户可以通过 API 设置 IIR 滤波器的采样周期。周期越大读数稳定性越高，相应的也会产生延迟。建议滤波周期的范围 10 ms~25 ms。下图是采样周期设置成 10 ms 与 20 ms 的滤波效果和延迟的对比图。黄色是滤波之后的读数，红色是没有经过滤波的读数。

  • IIR 滤波周期：10 ms

  • IIR 滤波周期：20 ms

   下面两个图分别是 10 ms 和 20 ms 滤波周期滤波效果的对比图，黄色是滤波之后的读数。

  • IIR 滤波周期：10 ms

  • IIR 滤波周期：20 ms

  值得说明的是，如果开启了滤波，数据的读取函数是

touch_pad_read_filtered(); //读取滤波后的数据
touch_pad_read_raw_data(); //读取原始的数据

  没开启滤波使用

touch_pad_read();

3.2.5 载入配置

touch_pad_config(channel, 0);

  如果这里第二个数字写的不是0，就是配置了触发阈值，如果不想在这里配置，可以写0，然后后面再进行配置

3.3 配置相关的gpio

  把gpio配置为输出模式

gpio_pad_select_gpio(gpio);
gpio_set_direction(gpio, GPIO_MODE_OUTPUT);

  需要注意的是，触摸传感器的通道与gpio是绑定的，必须对应使用。

触摸传感器通道 管脚
T0 GPIO4
T1 GPIO0
T2 GPIO2
T3 MTDO
T4 MTCK
T5 MTDI
T6 MTMS
T7 GPIO27
T8 32K_XN
T9 32K_XP

3.4 配置触发阈值

  触发阈值在后面设定的原因是，有时候，不同的产品设计出来以后，触发阈值可能与较大的差异，可以采用自适应的方法设定阈值。就是在启动后，读取没有触摸的脉冲数量，然后再取其2/3作为触发阈值

//读取初始化没有触摸时候的脉冲数uint16_t value;touch_pad_read_filtered(Touch_Channel, &value);//这个脉冲数的2/3作为阈值Threshold = value * 2 / 3;

  如果要使用中断的话，通过
touch_pad_set_thresh() 配置触发阈值

3.5 配置相关中断

  中断的配置方法就是

  • 配置中断阈值 touch_pad_config()或touch_pad_set_thresh()
  • 配置中断模式touch_pad_set_trigger_mode()
  • 写中断服务函数
  • 载入中断服务函数touch_pad_isr_register()
  • 使能中断 touch_pad_intr_enable()

  不过，触摸传感器的中断使用下来感觉不怎么好用。主要原因是，只要你的手在传感器上，就会不断的触发中断，不太好控制。就比如如果要用这个控制led的话，没有办法很好的控制led亮灭。

4. 触摸传感器实验

4.1 脉冲读取实验

4.1.1 实验目的

  读取触摸传感器的脉冲数。

4.1.2 软件设计

  这个实验中，不使用中断，因此也不需要配置触发阈值

#include "driver/gpio.h"
#include "driver/touch_pad.h"uint16_t value;
void setup() {touch_pad_init(); //初始化传感器驱动程序touch_pad_set_voltage(TOUCH_HVOLT_2V7, TOUCH_LVOLT_0V5, TOUCH_HVOLT_ATTEN_0V); touch_pad_set_fsm_mode(TOUCH_FSM_MODE_TIMER);//设置为硬件触发touch_pad_config(TOUCH_PAD_NUM0, 0); //不使用中断，因此也不需要设置阈值touch_pad_filter_start(10); //设置IIR滤波器uint16_t value;while (1){touch_pad_read_raw_data(TOUCH_PAD_NUM0, &value);  //读取原始数据printf("raw data = %d\n", value);touch_pad_read_filtered(TOUCH_PAD_NUM0, &value); //读取滤波后的数据printf("IIR data = %d\n", value);vTaskDelay(10 / portTICK_PERIOD_MS);}}void loop() {}

4.2 基于轮询的触摸按键检测实验

4.2.1 实验目的

  因为感觉触摸传感器的中断不是非常好用，所以这里实现了一个基于轮询的led开关控制的实验。

4.2.2 硬件设计

  使用esp32开发板上gpio2带的led进行实验。采用gpio4(touch0)进行触摸检测，并且把gpio4用杜邦线引出。

  主要现象就是，手触碰gpio4的时候，led亮灭状态会进行翻转。

4.2.3 软件设计

4.2.3.1 定义相关的宏
//定义触摸按键序号
#define Touch0  0
#define Touch1  1
#define Touch2  2
#define Touch3  3
#define Touch4  4
#define Touch5  5
#define Touch6  6
#define Touch7  7
#define Touch8  8
#define Touch9  9//定义触摸按键的GPIO
#define T0 GPIO_NUM_4
#define T1 GPIO_NUM_1
#define T2 GPIO_NUM_2
#define T3 GPIO_NUM_15
#define T4 GPIO_NUM_13
#define T5 GPIO_NUM_12
#define T6 GPIO_NUM_14
#define T7 GPIO_NUM_27
#define T8 GPIO_NUM_33
#define T9 GPIO_NUM_32//定义触摸按键的通道
#define Touch_Channel0  TOUCH_PAD_NUM0
#define Touch_Channel1  TOUCH_PAD_NUM1
#define Touch_Channel2  TOUCH_PAD_NUM2
#define Touch_Channel3  TOUCH_PAD_NUM3
#define Touch_Channel4  TOUCH_PAD_NUM4
#define Touch_Channel5  TOUCH_PAD_NUM5
#define Touch_Channel6  TOUCH_PAD_NUM6
#define Touch_Channel7  TOUCH_PAD_NUM7
#define Touch_Channel8  TOUCH_PAD_NUM8
#define Touch_Channel9  TOUCH_PAD_NUM9
4.2.3.2 定义相关的数据结构体
//定义相关的存储数据结构
gpio_num_t      Touch_Gpio[10] ={T0,T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9}; //引脚
touch_pad_t     Touch_Channel[10] ={Touch_Channel0,Touch_Channel1,Touch_Channel2,Touch_Channel3,Touch_Channel4,Touch_Channel5,Touch_Channel6,Touch_Channel7,Touch_Channel8,Touch_Channel9}; //通道
uint16_t        Threshold[10] = { 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 }; //用来存储阈值
4.2.3.4 触摸传感器的使能函数
/**
*  @brief 开启触摸按键功能
**/
void touch_init()
{//初始化传感器驱动程序touch_pad_init();
}
4.2.3.3 触摸传感器的配置

/**
*  @brief 配置触摸按键通道，一共T0-T9 10个通道，这里只定义了T0和T7
*  @param[in] Touchx: Touch[0..9] 使用第几个触摸按键
**/
void touch_config(uint8_t Touchx)
{touch_mode_config(Touchx); //初始化触摸按键touch_gpio_config(Touchx); //初始化相关的gpiotouch_thresh_config(Touchx); //初始化阈值}

  相关函数


//设置触摸按键模式
static void touch_mode_config(uint8_t Touchx)
{//01 设置检测电压范围0-2.7Vtouch_pad_set_voltage(TOUCH_HVOLT_2V7, TOUCH_LVOLT_0V5, TOUCH_HVOLT_ATTEN_0V);//02 设置触发模式是硬件定时器触发touch_pad_set_fsm_mode(TOUCH_FSM_MODE_TIMER);//03 载入配置,设置阈值0就是不设置中断touch_pad_config(Touch_Channel[Touchx], 0);//04 开启滤波器，如果不开滤波器，读取脉冲数方法不一样touch_pad_filter_start(10); }//设置触摸按键相关的gpio
static void touch_gpio_config(uint8_t Touchx)
{gpio_pad_select_gpio(Touch_Gpio[Touchx]);gpio_set_direction(Touch_Gpio[Touchx], GPIO_MODE_OUTPUT);
}//设置触摸按键的检测阈值
//手摸按键周期会变长，脉冲数会减少
static void touch_thresh_config(uint8_t Touchx)
{//读取初始化没有触摸时候的脉冲数uint16_t value;touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);//这个脉冲数的2/3作为阈值Threshold[Touchx] = value * 2 / 3;}
4.2.3.4 按键状态监测
/**
*  @brief 检测触摸按键是否被按键
*  @param[in] Touchx: Touch[0..9] 使用第几个触摸按键
*  @retval true:按下  false:没有按下
**/
bool touch_state(uint8_t Touchx)
{//用轮询的方法进行检测uint16_t value;touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);if (value < Threshold[Touchx]){vTaskDelay(2/ portTICK_PERIOD_MS);touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);if (value < Threshold[Touchx]){while (value < Threshold[Touchx]){touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);}return true;}}return false;
}
4.2.3.5 主函数

void setup() {//01 初始化ledled_init(); //02 初始化触摸按键touch_init();touch_config(Touch0);while (1){if (touch_state(Touch0) == true){led_toggle();}}
}

4.2.4 完整代码

4.2.4.1 bsp_touch.h
#ifndef _BSP_TOUCH_H_
#define _BSP_TOUCH_H_#include <stdio.h>
#include "driver/gpio.h"
#include "driver/touch_pad.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"//定义触摸按键序号
#define Touch0  0
#define Touch1  1
#define Touch2  2
#define Touch3  3
#define Touch4  4
#define Touch5  5
#define Touch6  6
#define Touch7  7
#define Touch8  8
#define Touch9  9//定义触摸按键的GPIO
#define T0 GPIO_NUM_4
#define T1 GPIO_NUM_1
#define T2 GPIO_NUM_2
#define T3 GPIO_NUM_15
#define T4 GPIO_NUM_13
#define T5 GPIO_NUM_12
#define T6 GPIO_NUM_14
#define T7 GPIO_NUM_27
#define T8 GPIO_NUM_33
#define T9 GPIO_NUM_32//定义触摸按键的通道
#define Touch_Channel0  TOUCH_PAD_NUM0
#define Touch_Channel1  TOUCH_PAD_NUM1
#define Touch_Channel2  TOUCH_PAD_NUM2
#define Touch_Channel3  TOUCH_PAD_NUM3
#define Touch_Channel4  TOUCH_PAD_NUM4
#define Touch_Channel5  TOUCH_PAD_NUM5
#define Touch_Channel6  TOUCH_PAD_NUM6
#define Touch_Channel7  TOUCH_PAD_NUM7
#define Touch_Channel8  TOUCH_PAD_NUM8
#define Touch_Channel9  TOUCH_PAD_NUM9//函数声明
void touch_init(); //初始化触摸按键
void touch_config(uint8_t Touchx); //配置触摸按键
bool touch_state(uint8_t Touchx); //使用轮询的方法检测按键是否被按键
#endif
4.2.4.2 bsp_touch.cpp
#include "bsp_touch.h"//定义相关的存储数据结构
gpio_num_t      Touch_Gpio[10] ={T0,T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9}; //引脚
touch_pad_t     Touch_Channel[10] ={Touch_Channel0,Touch_Channel1,Touch_Channel2,Touch_Channel3,Touch_Channel4,Touch_Channel5,Touch_Channel6,Touch_Channel7,Touch_Channel8,Touch_Channel9}; //通道
uint16_t        Threshold[10] = { 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 }; //用来存储阈值//设置触摸按键模式
static void touch_mode_config(uint8_t Touchx)
{//01 设置检测电压范围0-2.7Vtouch_pad_set_voltage(TOUCH_HVOLT_2V7, TOUCH_LVOLT_0V5, TOUCH_HVOLT_ATTEN_0V);//02 设置触发模式是硬件定时器触发touch_pad_set_fsm_mode(TOUCH_FSM_MODE_TIMER);//03 载入配置,设置阈值0就是不设置中断touch_pad_config(Touch_Channel[Touchx], 0);//04 开启滤波器，如果不开滤波器，读取脉冲数方法不一样touch_pad_filter_start(10); }//设置触摸按键相关的gpio
static void touch_gpio_config(uint8_t Touchx)
{gpio_pad_select_gpio(Touch_Gpio[Touchx]);gpio_set_direction(Touch_Gpio[Touchx], GPIO_MODE_OUTPUT);
}//设置触摸按键的检测阈值
//手摸按键周期会变长，脉冲数会减少
static void touch_thresh_config(uint8_t Touchx)
{//读取初始化没有触摸时候的脉冲数uint16_t value;touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);//这个脉冲数的2/3作为阈值Threshold[Touchx] = value * 2 / 3;}/**
*  @brief 开启触摸按键功能
**/
void touch_init()
{//初始化传感器驱动程序touch_pad_init();
}/**
*  @brief 配置触摸按键通道，一共T0-T9 10个通道，这里只定义了T0和T7
*  @param[in] Touchx: Touch[0..9] 使用第几个触摸按键
**/
void touch_config(uint8_t Touchx)
{touch_mode_config(Touchx); //初始化触摸按键touch_gpio_config(Touchx); //初始化相关的gpiotouch_thresh_config(Touchx); //初始化阈值}
/**
*  @brief 检测触摸按键是否被按键
*  @param[in] Touchx: Touch[0..9] 使用第几个触摸按键
*  @retval true:按下  false:没有按下
**/
bool touch_state(uint8_t Touchx)
{//用轮询的方法进行检测uint16_t value;touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);if (value < Threshold[Touchx]){vTaskDelay(2/ portTICK_PERIOD_MS);touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);if (value < Threshold[Touchx]){while (value < Threshold[Touchx]){touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);}return true;}}return false;
}
4.2.4.4 main

#include "bsp_led.h"
#include "bsp_touch.h"void setup() {//01 初始化ledled_init(); //02 初始化触摸按键touch_init();touch_config(Touch0);while (1){if (touch_state(Touch0) == true){led_toggle();}}
}

5.参考资料

  • [1] esp32 技术参考指南：29.2 电容式触摸传感器
  • [2] 触摸传感器
  • [3] ESP32 触摸传感器应用方案简介

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