基于TTP229的电容式触摸键盘设计与实现

张玮

（中国电子科技集团第十五研究所后勤信息化事业部，北京100083）

基于TTP229的电容式触摸键盘设计与实现

张玮

（中国电子科技集团第十五研究所后勤信息化事业部，北京100083）

为了实现电子产品的电容式触摸输入方式，提出了一款基于TTP229的电容式触摸键盘系统的设计方案，并完成了键盘系统的软硬件设计。该键盘被设计成一个独立模块，硬件部分实现按键检测上传信息等功能，软件部分实现键盘按键事件处理等功能。在实际应用中表明，该键盘系统使用简单方便，用户使用自由度较高，可移植性较强，能够满足多数电子产品的使用需求，达到了设计要求。

电容式触摸；键盘设计；TTP229；抗干扰设计

在2007年苹果公司发售iPhone后，全球掀起了一阵电容式触摸屏大潮。其后电容式触摸技术也不再局限于屏幕这一单一设备，越来越多的电子设备开始采用电容式触摸作为其输入设备的输入方式。电容式触摸键盘便是继电容式触摸屏之后另一广泛使用的电容式触摸设备。

与传统键盘的机械式按键相比，电容式触摸按键其形状不受限制，根据设备需求可设计成不同形状以使电子设备更为美观。同时，电容式触摸按键实质是PCB板上的一个面积稍大的覆铜焊盘，因此电容式触摸按键的厚度几乎可以忽略不计，这一特点也高度契合现今电子设备越来越轻薄的趋势。另外，相比于传统的机械式按键，电容式触摸按键不存在接点，没有物理磨损和消耗，因此其寿命可以认为是半永久性的［1］。

正因电容式触摸按键的这些优点，越来越多的厂商选用触摸按键来替代传统按键。但是目前市场上多数的触摸键盘均是针对性设计，这类键盘与主板绑定，不可拆卸，因而在设计时需要更多的考虑抗干扰问题，增加设计的复杂度也提高设计成本。另外这类按键数量较少且功能较为单一，不能根据需要自主改变按键的功能，因而几乎没有普遍适用性。所以设计一款低成本、高性能且可自由定义按键功能的电容式触摸键盘更能满足电子产品的应用需求。

1　电容式触摸键盘的工作原理

电容式触摸键盘判断按键通断的基本原理是将触摸按键等效为一个电容，并基于此电容构建一个不断进行充电放电的振荡器，通过对振荡器的振荡周期或者振荡频率的测量来判定电容的改变量，通过电容的改变量△C确定按键的通断。等效电路如图1所示。

图1所示电路中，圆圈代表触摸按键，该按键就是位于PCB上的一个焊盘，它与地构成了一个感应电容。虚线框内是一个简化的振荡器电路，R是下拉电阻，T是定时器用来检测振荡器充放电的周期。当人的手指未触摸到按键时，这个感应电容为一个固定值，由这个感应电容所构成的振荡器的充放电周期也是固定的。当人的手指靠近该焊盘时，因为人是导体，所以人的手指与该焊盘会形成一个耦合电容△C，这个耦合电容会叠加到焊盘与地所形成的感应电容上，从而改变了感应电容的容值，这样一个新的电容所构成的振荡器其充放电周期与原来的感应电容不同，触摸芯片便通过检测该周期的变化来判断按键是否被触摸。振荡器充放电的周期计算公式如下：

式（1）中，t表示振荡器的充放电时间，R表示下拉电阻，C表示按键等效电容，v2表示荡器充电和放电的初始电压，v1表示振荡器充电和放电的截止电压，而vt则代表了振荡器在振荡周期t时刻时电容上的电压值。

当电源的开关断开时，按键所构成的感应电容C电压被下拉电阻R拉低，此时按键所构成的电容的电势为0。当将开关闭合时，由电源为按键所构成的电容C充电，待其充电稳定后，开关断开，此时电容C通过电阻R进行放电，直至电量完全放尽，电势再次归0。利用定时器T记录这个充电和放电的时间，并反复进行该过程。如果手指未触摸按键其充放电时间t不变，如果手指触摸按键，那么上述公式中的C变化为C+△C，所得充放电时间变会变为t+△t，通过△t来判定按键是否被按下。

图1　触摸按键等效电路原理图

2　电路设计

2.1键盘系统组成

键盘系统由触控芯片和触摸按键矩阵两部分组成。键盘系统通过接口与控制单元进行通信。一个完整的键盘控制系统组成如下：

图2　系统组成

图中触控芯片选用台湾通泰公司的TTP229TonTouchTM。该芯片内置稳压电源，同时支持外置稳压源；休眠模式下采用8Hz低功耗采样，并能由休眠模式中快速唤醒；提供Option选择8键或16键；支持单键有效或多键同时有效；灵敏度可由外部电容控制；支持和2_线接口，操作便捷；带有自校准功能，当所有按键在一段时间之内没有被触摸到时，芯片内置系统会自动对键盘进行校准，校准时间约为0.4 s［2］。

触摸按键采用4*4的矩阵式排布，被印制在独立的PCB上。

2.2硬件电路设计

触摸键盘由4部分组成，分别是16键的触摸按键矩阵、接口电路、稳压电路和触摸控制电路。电路原理图如下：

2.2.116键触摸按键矩阵

TTP229支持8键或16键，同时支持单键或多键有效。本设计选用16键和单键有效模式，16个触摸按键与触控芯片可直接相连，不需添加额外的器件。16位键盘采用一个16位的2进制数进行编码，每一个触摸按键对应16位中的一位，即S1对应最低位，S16对应最高位，当对应按键没有被触摸时该位为0，当按键被按下时该位被置1，由TTP229内置的寄存器记录这个二进制数并通过接口上传给控制单元。

图3　触摸控制和稳压电路

2.2.2接口电路

接口电路为键盘系统与控制单元间的通信提供支持。外接设备可以通过该接口为键盘供电并且共地。该接口设计有四个数据接口，分别是的数据接口IIC2_KEYBOARD_SDA、时钟接口IIC2_KEYBOARD_SCK、键盘中断信号PA16_ KEYBOARD_INT和键盘控制接口KEY_VCC_CTRL。当触控芯片检测有按键被触摸后，触控芯片产生的中断信号会通过PA16_KEYBOARD_INT接口传入控制单元，控制单元对中断信号做出反应后数据便会通过接口传送至控制单元。KEY_ VCC_CTRL主要是控制键盘稳压电路的上下电，当不需要使用键盘时可以通过该接口使电源下电以降低系统功耗。

同时为了方便键盘的检修和测试，在接口电路中设置了6个测试点TP1_TP6，6个测试点分别与键盘地、电以及上述4个接口相连。可根据实际需要外接示波器或万用表进行测试。

2.2.3稳压电路

稳压电路负责为TTP229提供稳定的电源输入。尽管TTP229提供了内置稳压电路，但是其内置的稳压电路在实际的使用中去纹波效果不理想，为了减少电源对TTP229的影响，在设计中仍采用外置的稳压电源为其供电。稳压电路选用TLV70033DCK做稳压电源，该芯片外围电路简单，输出纹波较低［3］，极大程度上减少电源对触控芯片的干扰，使能端通过KEY_VCC_CTRL与核心处理器相连，以实现上下电控制。

2.2.4触摸控制电路

触摸控制电路主要完成按键检测、上传数据等功能。在电路设计中TTP229的VDD端需加去耦电容，并且该电容必须靠近触控芯片VDD引脚和电源芯片输出引脚，使电源的输入更为平滑稳定。TTP229支持通过调节外部电容来调节触摸按键的灵敏度，按键的灵敏度可以通过调节图3中与SENADJ0_J3连接的4个电容来完成，其中SENADJ0对应按键S1_S4，SENADJ1对应S5_S8，SENADJ2对应S9_ S12SENADJ3对应S13_S16，容值可在1pf_50pf间选择，容值越大灵敏度越低。4个电容可同时调节，也可分开调节，建议分开调节，例如离触控芯片较远的一组按键所对应的电容值可稍微增大，因其远离芯片受干扰几率增大，适当降低其灵敏度可屏蔽一些微小的扰动。

键盘在实际使用中不会直接裸露，而是会附加一层面板，面板的厚度将会直接影响触摸按键的灵敏度选择。表1列出了不同容值时感应距离的变化，实验方法是制好的键盘PCB板，触摸按键为板上覆铜区。于PCB正上方，在按键表面放置不同厚度的面板，以确定不同容值范围内时，触摸按键感应距离的变化情况。

由表1可知面板的厚度越大按键的灵敏度要求越高，因此建议在覆盖好面板后再进行灵敏度的调节。

图4　接口电路和按键矩阵

表1　容值和感应距离

2.3键盘PCB设计

键盘采用双层PCB设计，触摸按键应被单独置于键盘PCB的一面，相邻按键之间的距离不小于3 mm；按键与触控芯片引脚间的导线与按键分属PCB的两面，利用过孔相连，按键下方不能走线；键盘的触控芯片与电源等元器件放置于导线所在层面，并且集中于键盘的一端远离触摸按键；预留的6个测试点紧靠接口电路，与触摸按键以及导线的间距不小于5 mm；PCB制版时触摸按键不裸露且表面有阻焊层，同时表面阻焊层不含任何导电成分。PCB设计图如下：

由图5可知电容式触摸按键其实是PCB上的一小块覆铜焊盘，根据电容式触摸按键的原理，当有导体靠近该焊盘时都会对焊盘的等效电容产生影响，从而造成触控芯片的误判断，因此有必要增强键盘抗干扰能力以使其达到最佳的工作状态。

为使键盘的抗干扰能力增强，在进行PCB设计时要注意以下几点：

1）电源的输出稳定性一定要好。因为电源的纹波会对触控芯片产生巨大影响，尤其是在使用线性开关电源时，如果其纹波较大不好控制，那么可以使用LDO进行转换。在触控芯片的电源输入端必须加滤波电容j

2）按键的大小适中。尽管按键面积越大灵敏度越高，但是超过人手指面积时超过的部分不再会增加有效灵敏度，同时过大的面积对控制键盘尺寸无益。按键的大小最好与手指45°斜放时面积相当即可，建议15 mm*10 mm；

3）按键间的距离不宜过小，建议大于5 mm，间距过小可能会造成误识别。若无法加大按键间距，需要在按键间加地线隔离；

4）PCB布局时滤波电容要靠近芯片，电容要用地线隔离。触摸按键要尽量靠近触摸控制芯片，保证同一组按键到触控芯片引脚间差异最小。触控芯片的电源输入端与稳压电源的输出端要尽量靠近。所有的芯片都应远离触摸按键，并且与触摸按键分属PCB的两面；

5）按键与触控芯片间的导线与触摸按键分属PCB的两面，利用过孔相连，导线越短越细越好，按键之间的导线间距应大于2倍线宽，在走线时远离其他信号线，尤其是电源线，在走线0.5 mm的范围内不要覆铜［4］。

采用上述方法设计的PCB除具有成本低、适用范围广等优点外，还注重抗干扰能力，使其在不同环境下都能保证键盘使用的稳定性，为键盘长时间运行提供了重要保障。

图5　PCB顶层

图6　PCB底层

3　程序设计

因为键盘使用与控制单元进行通信，为方便键盘使用，优化编程，在实际的使用中可以将对键盘的处理过程置于中断函数中，根据需要调取即可。在此我们以AT91SAM9G35作为核心控制单元的设备为例简述其程序编写的思想。

在使用AT91SAM9G35时，用户可以根据设备的实际用途选择是否加载操作系统，当使用操作系统时我们只需将与键盘功能对应的中断函数进行注册并由系统自动为其分配入口地址即可，当不需加载操作系统时，需要人为为键盘功能所对应的中断函数分配入口地址［5］。这样当TTP229发出中断信号请求进入中断处理函数时，AT91SAM9G35会自动跳转至与之对应的中断处理函数中，并完成相关的操作步骤，中断处理函数的流程图如下：

图7　中断处理函数流程图

当AT91SAM9G35检测到TTP229产生的中断后，会跳转到中断处理函数中。由图7可知，在中断处理函数中主要包含3部分：

1）读取键值：当TTP229的某一个键被触摸时，TTP229会产生一个16位的二进制数以表示对应键位被按下，这个值称为物理键值，它由TTP229内部寄存器记录，并经由上传给AT91SAM9G35；

2）键值转换：因为TTP229上传给AT91SAM9G35的完整数据是一个16的二进制数，所以需要将该数值转换为AT91SAM9G35可识别处理的数据，在AT91SAM9G35中我们将其转化ASCII码；

3）确定键盘事件：在AT91SAM9G35中定义一个数组，称之为键盘事件数组，数组中的每一个数值都代表了一种键盘事件，用户可以根据需要来定义每一个触摸按键的功能，比如上下左右、数字输入等基本功能，还可以设计组合键［6］，在完成了数值转换后，将转换后所得值与键盘事件数组中作对比，如果一致就会完成相应的键盘事件。

该键盘的编程思想简单易懂、逻辑思路清晰明确。因为采用了中断函数的处理方法，使其编程难度大大降低，用户不需要为键盘处理函数编排在程序位置，只需提供中断入口即可；同时采用了中断函数的处理方法，使程序的可移植性也大大增强，可在不同的电子设备间根据需求自由转换。另外按键功能并未绑定，在实际的使用中可以根据需求自行更改，使键盘的适用性更强。

4　结束语

本文设计的电容式触摸键盘适用目前市场上大多数的电子产品，同类产品相比，除了实用性外还兼顾了低成本和可移植性，键盘被设计成独立的模块，通过8口排线与外界相连，实用性更佳。本文完整的叙述了电容式触摸键盘的设计过程，对类似的设计有一定的参考意义。另外本文所设计键盘主要针对便携式电子产品，因此在大型设备的触摸键盘的应用中略显不足，如若更换支持更多键位的触控芯片其工程实用性将会更强。

［1］田野，廖明燕.基于充放电原理的电容式触摸按键设计［J］.电子设计工程，2010（10）：142_144.

［2］TTP229 DataSheet［R］.Version 1.1.TonTouch：2009.10.

［3］TLV70033DCK DataSheet［R］.Version A.Texas Instruments：2009.09.

［4］David.A.Weston.电磁兼容原理与应用［M］.杨自佑，王守三，译.北京：机械工业出版社，2006.

［5］AT91SAM9G35 User Guide［R］.Version 11053B.Atme1：2011.

［6］李兵兵，黄子强.电容式多点触摸屏的器件设计及算法实现［J］.液晶与显示，2011（2）：216_219.

Deslgn and lmPlementatlon of caPacltlVe touch keyboard based on TTP229

ZHANG Wei
（Department of Logistics Informationization，The Fifteenth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Beijing 100083，China）

In order to achieve the capacitive touch input for e1ectronic products，a design of capacitive touch keyboard system based on TTP229 is proposed.And software and hardware design of the keyboard system is comp1eted.The keyboard is designed as a stand_a1one modu1e.The hardware part is designed for detecting key and up1oading information.The software part is designed for hand1ing event of key pressing.Practica1 app1ications showed that the keyboard system is easy to use.There is a high degree of freedom for the users.It has strong portabi1ity and can meet the needs of most e1ectronic products.The design requirements are achieved.

capacitive touch；keyboard design；TTP229；antijam design

TN7

A

1674_6236（2016）10_0123_04

2015_06_14稿件编号：201506142

张玮（1990—），男，吉林辉南人，硕士。研究方向：计算机系统结构。