8.1 電容觸摸簡介

8.1.1 電容觸摸概述

隨著科技的發展，傳統的機械按鍵正在逐步從設備上面消失，這個原因主要有機械按鍵由于是采用機械接觸的方式，壽命比較短，從用戶體驗上看，機械按鍵也顯得操作復雜，對比現在的電容按鍵，電容按鍵具有壽命長，因為不存在機械接觸，占用空間少，以前的機械按鍵在設計外殼的時候需要考慮尺寸，現在換成電容按鍵后這個問題不再需要考慮。

8.1.2 檢測原理

常規的檢測方式一般是通過計算電容放電時間來判斷是否有手指按下，這是因為手指會與線路板的銅箔接觸面上產生電容效應，當手指沒有放在銅箔上的時候，銅箔與PCB之間存在雜散電容，這兩個狀態的電容值差別很大，檢測原理如下圖所示。

在檢測之前首先用開關將電容Cs里面的電荷放盡，然后此時CPU開始計算Cs的充電時間，這一部分是采用捕捉信號來測量，盡管單片機屬于數字電路，但是數字電路的邏輯電平也是有電壓限制的，比如在3.3V供電環境下，當電壓大于2.4V則被認為是邏輯電平1，當電壓小于0.4V則被認為是邏輯電平0，單片機的輸入捕獲功能來判斷輸入信號的電平是否為邏輯電平1，如果檢測到邏輯電平1，則認為電容此時充電達到了2.4V以上，將這個時間記錄下來，當手指放在銅箔上的時候，相當于增加了Cs的容值，此時我們繼續進行輸入捕獲采樣，將這個捕獲的時間記錄下來，兩個時間求差值，這個差值高于某個閾值的時候就可以認為此時手指按下了電容按鍵，用這種方式就可以實現虛擬按鍵的使用了。這種檢測原理實際是采用了在電路分析中學習到的RC電路的零狀態響應來實現的。根據RC電路的零狀態響應可以得出電容的充電公式為

其中Vc表示電容的充電電壓，VDD為RC電路的輸入電壓，R為電阻的阻值，C為充電電容的容值，通過這個公式我們可以反推得到充點電容的容值。也就是說我們可以利用這個公式實現電容的測量。

8.1.3 預備知識

首先我們在進行電容觸摸檢測的時候需要用到STM32的輸入捕獲功能，從這一章開始，關于寄存器文件的添加，驅動文件的添加不再作為重點，重點開始轉為程序的編寫及小算法的編寫。

   輸入捕獲的工作原理如下圖所示。

首先設置定時器的輸入通道為上升沿捕獲，檢測到上升沿之后，將計數寄存器CNT中的數據存儲在CCRx1中并清空CNT的數據，然后設置定時器的輸入通道為下降沿捕獲，檢測到下降沿后將計數寄存器CNT中的數據存儲在CCRx2中并清空CNT的數據，此時將CCRx2的值與CCRx1的值做差值就可以得到1個波形中高電平的時間，由于這兩個數值獲取的過程中，會由于高電平時間過長導致定時器產生多次中斷，這個多次中斷的值記為N，此時高電平的時間計算公式如下所示：

其中M為定時器的計數周期，N為定時器的溢出次數，ARR為自動重裝載計數器的值，CCRx2為捕獲到的數據。

8.2 常用寄存器

8.2.1 捕獲/比較寄存器1：TIMx_CCMR1

ICxF[3:0]：輸入捕獲x濾波器（定義輸入采樣頻率及數字濾波器長度）

ICxPSC[1:0]：輸入/捕獲x預分頻器（一旦CCxE=0，則預分頻器復位）

00：每1個事件觸發一次捕獲

   01：每2個事件觸發一次捕獲

   10：每4個事件觸發一次捕獲

   11：每8個事件觸發一次捕獲

CCxS[1:0]：捕獲/比較x選擇（用于定義通道x輸入還是輸出）

00：輸出模式

   01：輸入模式，映射在TI1上

   10：輸入模式，映射在TI2上

   11：輸入模式，映射在TRC上，此模式引用于內部觸發器輸入被選中時

8.2.2 捕獲/比較使能寄存器：TIMx_CCER

CCxP：輸入/捕獲x輸入/輸出極性

通道在輸出模式下

0：高電平有效

   1：低電平有效

通道在輸入模式下

0：不反相，上升沿觸發

   1：反相，下降沿觸發

CCxE：輸入/捕獲x輸入/輸出使能

通道在輸出模式下

0：關閉輸出

   1：開啟輸出

通道在輸入模式下

0：禁止捕獲

   1：使能捕獲

8.3 電容觸摸例程

現在PA1端口接一個觸摸按鍵（一塊銅箔），利用PA1的觸摸按鍵控制PA0端口的LED狀態，按下時LED點亮，抬起時LED熄滅。

（1）新建基礎工程，并創建tpad.c，tpad.h，led.c和led.h文件，并導入工程，如下圖所示。

（2）在tpad.h文件內添加以下代碼。

（3）在led.h文件內添加以下代碼

（4）在led.c文件中添加以下代碼

（5）在tpad.c文件內添加以下代碼

#include "tpad.h"
#include "delay.h"
/***************************************************
Name    :TPAD_Get_Value
Function  :觸摸按鍵值獲取
Paramater  :None
Return    :獲取的充電時間
***************************************************/
u16 TPAD_Get_Value()
{
  //電容放電
  GPIOA->CRL &= 0xFFFFFF0F ;          //PA1輸入
  GPIOA->CRL |= 0x00000030 ;          //推挽輸出
  GPIOA->ODR &= ~( 1<<1 ) ;          //輸出低電平放電
  delay_ms( 5 ) ;
  TIM5->SR = 0 ;                //清除標記
  TIM5->CNT = 0 ;                //歸零
  GPIOA->CRL &= 0xFFFFFF0F ;          //PA1輸入
  GPIOA->CRL |= 0x00000040 ;          //浮空輸入
  //等待捕獲上升沿
  while( ( TIM5->SR&0x04 )==0 )
  {
    if( TIM5->CNT>( 65535-500 ) )
      return TIM5->CNT ;
  }
  return TIM5->CCMR2 ;
}
/***************************************************
Name    :TPAD_Get_MaxVal
Function  :觸摸按鍵最大值獲取
Paramater  :None
Return    :獲取的最大充電時間
***************************************************/
u16 TPAD_Get_MaxVal( u8 n )
{
  u16 temp=0;
  u16 res=0;
  while( n-- )
  {
    temp = TPAD_Get_Value() ;
    if( temp>res )
      res = temp ;
  }
  return res ;
}
/***************************************************
Name    :TPAD_Init
Function  :觸摸按鍵初始化
Paramater  :None
Return    :None
***************************************************/
TPADData TPAD_Data ;
void TPAD_Init()
{
  u16 buff[ 10 ], temp ;
  u8 i, j ;
  RCC->APB2ENR |= 1<<2 ;
  GPIOA->CRL &= 0xFFFFFF0F ;            //PA1 輸入
  GPIOA->CRL |= 0x00000040 ;            //浮空輸入
  RCC->APB1ENR |= 1<<3 ;              //TIM5時鐘開啟
  TIM5->ARR = 65535 ;
  TIM5->PSC = 5 ;
  TIM5->CCMR1 |= 1<<8 ;              //選擇輸入端IC2映射到TI2上
  TIM5->CCMR1 &= ~( 1<<12 ) ;            //采樣頻率8分頻
  TIM1->CCMR1 &= ~( 1<<10 ) ;            //配置輸入不分頻
  TIM5->CCER &= ~( 1<<5 ) ;            //上升沿捕獲
  TIM5->CCER |= 1<<4 ;                //允許捕獲功能
  TIM5->CR1 |= 1<<0 ;                //開啟定時器5
  //連續采樣10次
  for( i=0; i<10; i++ )
  {
    buff[ i ] = TPAD_Get_Value() ;
    delay_ms( 10 ) ;
  }
  //排序
  for( i=0; i<9; i++ )
  {
    for( j=i+1; j<10; j++ )
    {
      //升序排列
      if( buff[ i ]>buff[ j ] )
      {
        temp= buff[ i ] ;
        buff[ i ] = buff[ j ] ;
        buff[ j ] = temp ;
      }
    }
  }
  temp = 0 ;
  //獲取中間數據的均值
  for( i=2; i<8; i++ )
    temp += buff[ i ] ;
  TPAD_Data.value = temp/6 ;
}
/***************************************************
Name    :TPAD_Scan
Function  :觸摸按鍵掃描
Paramater  :None
Return    :None
***************************************************/
void TPAD_Scan()
{
  u16 rval ;
  rval = TPAD_Get_MaxVal( 3 ) ;
  if( rval>( TPAD_Data.value+100 ) )
    TPAD_Data.State = 1 ;              //手指按下
}

（6）在1.c文件內添加主函數

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "led.h"
#include "tpad.h"
int main()
{
  STM32_Clock_Init( 9 ) ;                  //STM32時鐘初始化
  SysTick_Init( 72 ) ;                    //SysTick初始化
  USART1_Init( 72, 115200 ) ;                //初始化串口1波特率115200
  LED_Init() ;                      //LED初始化
  TPAD_Init() ;                      //觸摸按鍵初始化
  while( 1 )
  {
    TPAD_Scan() ;                    //觸摸按鍵掃描
    if( TPAD_Data.State==1 )
    {
      LED = 0 ;
      TPAD_Data.State = 0 ;
    }
    else
      LED = 1 ;
  }
}

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8.4 STM32工程管理

這里的總結是針對與之前所學的所有嵌入式內容進行總結，隨著后續代碼越來越多，對于工程的管理顯得格外重要，不僅僅是采用本章節介紹的方法管理工程代碼，對于后續的Linux開發和操作系統移植也最好是按照固定的工程格式進行管理。

   對于STM32的工程可以劃分為以下幾個部分：

（1）過程文件以及最終生成的hex文件：這些文件通通放置在工程1級目錄下的OBJECT文件中，文件中的內容如下圖所示。

圖中標注部分就是最終生成的hex文件，其他的文件均屬于過程文件，集成開發系統IDE編譯的實質其實就是采用gcc交叉編譯器將我們編寫的代碼轉換成對應的機器代碼的過程，具體的步驟會在Linux系統移植中描述，這里只需要知道利用交叉編譯器進行編譯的時候會產生大量的鏈接文件和過程文件，這些文件統統放置在OBJECT目錄下。將工程文件中的過程文件放置在該目錄下的設置方式如下圖所示。

（2）主函數文件及主工程文件：在Keil中創建的工程，以及包括main函數的c文件都位于這個目錄內。

圖中標注的3個文件都是必不可少的文件，帶有Keil圖標的文件就是工程文件，里面包含了整個工程所需的頭文件，文件路徑以及編譯器位置，文本文件圖標的則是c文件，main函數就放在這個位置，.s后綴的為匯編啟動文件，用于幫助芯片創建C代碼運行環境，初始化堆棧等功能，為了達到最快效率，所以采用匯編語言來編寫這個文件。

（3）自定義系統文件：自定義的系統文件位于SYSTEM目錄中，目錄內有3個子目錄，分別是sys，delay和usart1，如下圖所示。

delay目錄：是利用SysTick時鐘來實現的延時功能，主要有毫秒級延時和微秒級延時；

usart1目錄：則是利用串口1來實現printf打印輸出的功能，主要用于調試數據的輸出；

sys目錄：是最基礎的工程文件，這個目錄內有1個c文件和2個h文件，c文件主要實現STM32時鐘樹的配置和中斷系統的設置功能，是C函數中最重要的一個文件，stmxx.h文件則是最底層的寄存器定義文件，里面定義了STM32芯片內部所有寄存器的地址和結構，通過C語言來調用這里面的寄存器實現芯片的控制功能。

（4）驅動文件：驅動文件位于HEADERWARE目錄中，用于存放項目所用到的驅動，比如之前實驗所用到的LED，KEY，TIM這些外設都屬于驅動文件內容。

至此整個工程的目錄結構如下圖所示。