4. 扫描架构核心概念

多通道电容扫描架构的本质，是在有限的引脚、ADC、比较器和时间资源下，把成百上千个电容传感单元“组织”成可被有序访问的信号集合。理解通道复用、行列扫描、时分复用、频分复用、码分复用以及并行/串行模式，是设计扫描时序、评估信噪比与串扰、选择主控方案的基础。本章从信号组织方式出发，逐层拆解这些核心概念及其工程取舍。

一、核心原理：从“一对一”到“多对一”的资源映射

最直观的电容扫描是每个传感通道独占一根引脚和一个测量前端，即“一对一”并行采集。当通道数增加到 64、128 甚至 256 时，引脚数、走线面积和前端功耗会迅速失控。通道复用（Channel Multiplexing）正是解决这一矛盾的核心手段：用模拟开关或多路选择器，把多个电容节点分时或分频地连接到同一测量电路，使“N 个通道”共享“M 个前端”，其中 M 远小于 N。

行列扫描（Row-Column Scanning）是通道复用最典型的空间组织方式。把传感单元排成矩阵，行线与列线交叉，每个交叉点是一个电容节点。扫描时逐行选通，逐列读取，N×M 个节点只需 N+M 根线。例如 16×16 矩阵共 256 个节点，仅需 32 根线，相比一对一方案节省约 87% 的引脚。代价是引入了行列交叉耦合、鬼影（ghosting）和扫描周期变长等问题。

二、复用维度：时分、频分与码分

通道复用的“复用维度”决定了多个信号如何在共享资源上共存。时分复用（TDM）按时间切片，每个通道在固定时隙内独占前端，实现简单、隔离度好，但单通道采样率随通道数增加而下降。频分复用（FDM）给不同通道分配不同载波频率，用带通滤波分离，可同时激励、并行度高，但对滤波器 Q 值和频率规划要求高，易受互调干扰。码分复用（CDM）用正交码（如 Walsh 码、m 序列）同时激励多通道，再通过相关运算解调，理论上可逼近并行采集的帧率，但需要精确的码同步和较高的计算量。

复用方式	资源维度	优点	主要代价	典型场景
时分复用 TDM	时间	实现简单、隔离好	帧率随通道数下降	中低速触摸按键、行列扫描
频分复用 FDM	频率	可同时激励、并行度高	滤波器复杂、易互调	多频电容成像、抗干扰设计
码分复用 CDM	编码	帧率高、抗窄带干扰	同步与算力开销大	高通道数触控屏、阵列传感
行列扫描	空间	引脚数大幅减少	交叉耦合、鬼影	键盘矩阵、电容触摸板

三、方法流程：一次完整扫描的组织过程

以 8×8 行列扫描配合 TDM 为例，一次完整帧扫描的流程如下：

1. 初始化：配置行驱动引脚为输出、列检测引脚为输入，设置模拟开关导通电阻与建立时间。
2. 行选通：第 i 行输出激励信号（方波或正弦），其余行置高阻或接地，抑制串扰。
3. 列采样：依次选通第 1～8 列，每列经过电荷放大器、ADC 采样，记录电容变化量。
4. 切换行：关闭第 i 行，等待建立时间后选通第 i+1 行，重复列采样。
5. 帧重组：将 64 个采样值按行列坐标写入帧缓冲区，进行基线跟踪与阈值判断。

for row in 0..7:
    drive_row(row, EXCITE)
    settle(T_SETTLE)          # 等待行列耦合稳定
    for col in 0..7:
        select_col(col)
        sample = adc_read()   # 读取电容变化量
        frame[row][col] = sample
    release_row(row)
baseline_update(frame)
touch_detect(frame, threshold)

若采用 CDM，则把“逐行逐列”改为“同时驱动多行、多列并行采集”，再用正交码解调。此时流程变为：编码激励 → 并行采样 → 相关解调 → 帧重组。帧率可提升数倍，但对时序同步和 ADC 同步采样要求显著提高。

四、并行与串行扫描模式：速度与成本的权衡

并行扫描指多个通道同时被激励和采样，每个通道拥有独立前端或独立 ADC 通道。其优点是帧率高、延迟低、通道间相位一致，适合高速手势识别和电容成像。缺点是前端面积和功耗随通道数线性增长，布线复杂，通道间一致性校准困难。

串行扫描指通道按顺序逐个访问，共享同一前端。优点是硬件成本低、引脚少、易于扩展，缺点是帧率受限于“通道数 × 单次转换时间”，且通道间存在时间偏斜，对动态信号可能引入运动伪影。工程上常采用“分组并行 + 组内串行”的混合模式：例如 64 通道分为 8 组，每组 8 通道并行，组间串行，从而在成本与帧率之间取得平衡。

五、案例与场景：16×16 电容触摸板的架构选择

假设设计一块 16×16 电容触摸板，共 256 个节点，目标帧率 200 Hz。若采用一对一并行，需要 256 个前端，显然不现实。采用行列扫描 + TDM：每帧 16 行，每行 16 列，共 256 个时隙。若单时隙采样与建立时间为 2 μs，则一帧约 512 μs，帧率约 1950 Hz，余量充足。此时可把多余时间用于多次平均，提升信噪比。

若目标帧率提升到 2000 Hz 且要求抗强干扰，可改用 CDM：用 16 阶 Walsh 码同时激励 16 行，列端并行采样 16 次，再解调出 256 个节点值。一帧只需 16 个码片周期，帧率大幅提升，但需要 16 路同步 ADC 或高速多路复用 ADC，且码同步误差会直接转化为通道间串扰。

六、常见误区与复盘要点

• 误区一：行列扫描一定比一对一快。行列扫描减少的是引脚，不是时间。逐点扫描时，总时隙数等于节点数，帧率反而可能低于分组并行。
• 误区二：TDM 没有串扰。时分复用只保证时间上不重叠，行列交叉耦合、开关电荷注入和寄生电容仍会引入通道间干扰，需要 guard 走线和屏蔽层。
• 误区三：CDM 一定优于 TDM。CDM 的增益依赖码的正交性和同步精度，码间干扰、时钟抖动和 ADC 非线性会显著恶化解调结果，工程实现难度远高于 TDM。
• 误区四：并行就是所有通道同时采样。真正的并行需要独立 ADC 或同步采样保持器，否则只是“多路复用 + 快速轮询”，仍存在时间偏斜。

掌握通道复用、行列扫描、时分/频分/码分复用以及并行与串行模式的内在关系，才能在多通道电容扫描架构设计中做出有依据的取舍。下一阶段将进入具体的模拟前端与开关网络设计，把这些概念落到电路与版图层面。