FDC2214电容传感器 | 一拍即合

本模块是一款基于德州仪器（TI）FDC2214芯片的高精度多通道电容数字转换器。模块具有4个独立电容检测通道，适用于多点触摸、接近感应、水位检测等场景。模块支持3.3V~5V宽电压供电，兼容不同系统电源需求；通过I2C接口与主控通信。预留全部信号引脚，主要信号使用测试环引出。

——FDC2214电容传感器模块购买链接——

1.简介

适用于触摸检测、接近感应、液位检测、介质识别、微小位移变化检测等场景。
传感器板通过 LC 谐振方式感知外部电容变化，例程由常规核心板 STM32F103 完成初始化、采样、计算和串口输出，可直接连接上位机进行实时波形观察与数据记录。

2.工作原理

2.1 电容检测原理

FDC2214 是一款高分辨率电感-电容数字转换器。每个通道都将传感电极、外接电感以及前端寄生电容组成一个 LC 谐振回路：

f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

当被测物体接近传感区域时，传感电极对地或对目标的等效电容发生变化，从而引起谐振频率变化。

FDC2214 对该频率进行数字化测量，再根据已知电感值反推出等效电容值。

2.2 本项目中的数据处理方式

在当前固件中，每个通道的计算流程为：

通过 I2C 切换 FDC2214 当前工作通道。
等待转换完成，并丢弃切换后的第一帧数据，避免读到前一通道残留值。
读取 28 位原始转换结果 raw_data。
根据参考时钟计算传感频率 sensor_frequency_hz。
根据设定电感值 L = 18 uH 计算等效电容值。
再减去预设前端偏置电容 33 pF，得到更便于观察的结果。

等效电容计算公式可概括为：

C = \frac{1}{L(2\pi f)^2}

这意味着：

电感参数设置越接近实际值，换算后的电容值越准确
前端寄生电容越稳定，测量重复性越好
传感电极的形状、面积、走线和安装环境都会影响结果

3. 典型用途

本传感器板适合以下应用方向：

电容触摸按键、滑条和面板触控
非接触接近检测
水位、液位、界面高度变化检测
塑料、玻璃、亚克力后方的隔空触摸
介质存在/缺失检测
小范围位移、覆盖物变化、夹持状态检测
电容传感教学、算法验证、产品原型开发等

4.开发板特点

四通道电容采集，引出触摸焊盘；
板载LDO，支持3.3V/5V电压供电
板载测试环，便捷接入示波器/逻辑分析仪
四层沉金工艺，降低阻抗干扰
板载有源40M晶振

5.参数清单

参数	描述
主芯片	FDC2214RGHR
工作电压	3.3V/5V
工作频率	外部40M有源晶振
最大输入电容	250nF（10kHz 频率，1mH 电感时）
分辨率	28 位
功耗	2.1mA（有源）、关断电流：200nA
温度范围	-40°C 至 +125°C

6.引脚列表

引脚端口	信号	描述
1	VCC	模块供电端口，支持3.3V或5V供电
2	GND	模块接地引脚
3	FDC_SD	引脚设为高电平时，FDC 进入关断模式
4	FDC_INT	可配置中断输出引脚
5	FDC_ADDR	I2C 地址选择引脚：当 ADDR=L 时，I2C 地址 = 0x2A，当 ADDR=H 时，I2C 地址 = 0x2B。
6	FDC_SDA	I2C 数据输入/输出
7	FDC_SCL	I2C 时钟输入

7.例程与开发板关键参数

7.1例程配置

主控：STM32F103
电容转换芯片：FDC2214
通道数：4
I2C 地址：0x2A（固件中使用 FDC2214_I2C_ADDR_0）
I2C 速率：100 kHz
串口：USART1
串口波特率：115200
参考时钟：40 MHz 外部时钟
每通道电感设定：18 uH
每通道偏置电容扣除值：33 pF
默认采样输出周期：`100 ms

7.2例程MCU引脚配置

PB6 -> I2C1_SCL
PB7 -> I2C1_SDA
PA9 -> USART1_TX
PA10 -> USART1_RX
PB3 -> FDC_SD
PB4 -> FDC_INT
PB5 -> FDC_ADDR
PC13 -> 状态 LED

7.3输出数据说明

下位机通过串口输出每个通道的原始值、频率与电容值，默认格式如下：

========== FDC2214 ==========
CH0: raw=15654989, f=4665550 Hz, C=31.649 pF
CH1: raw=15601708, f=4649671 Hz, C=32.091 pF
CH2: raw=15582537, f=4643958 Hz, C=32.252 pF
CH3: raw=15677608, f=4672291 Hz, C=31.463 pF

字段说明：

raw：FDC2214 采集到的 28 位原始转换值
f：根据参考时钟换算得到的传感频率
C：根据电感值换算得到的等效电容值，并扣除了固定偏置电容

7.4例程关键步骤说明

7.4.1主程序入口

文件：main.c

主程序流程：

初始化 HAL 库与系统时钟
初始化 GPIO、I2C、USART
调用 FDC2214_App_Init(&hi2c1) 完成 FDC2214 配置
在主循环中持续执行 FDC2214_App_Task()

7.4.2应用层初始化

文件：fdc2214_app.c

FDC2214_App_Init() 负责组装应用层配置：

config.i2c_addr = (uint16_t)(FDC2214_I2C_ADDR_0 << 1);
config.use_external_clock = 1U;
config.ref_clock_hz = 40000000UL;
config.channel_count = 4U;

这里明确了三个关键信息：

采用 0x2A 地址
采用外部 40 MHz 参考时钟
启用全部 4 个通道

同时，代码中定义了每个通道的电感和补偿值：

static const double g_channel_inductance_h[4] = {
  18.0e-6, 18.0e-6, 18.0e-6, 18.0e-6
};

static const double g_channel_offset_pf[4] = {
  33.0, 33.0, 33.0, 33.0
};

7.4.3FDC2214 驱动初始化

文件：fdc2214.c

FDC2214_Init() 完成以下关键动作：

控制 ADDR 和 SD 管脚进入目标状态
读取 DEVICE_ID 确认芯片在线
为每个通道写入 RCOUNT、OFFSET、SETTLECOUNT
设置时钟分频与驱动电流
写入 MUX_CONFIG
选中默认通道

这部分决定了测量速度、稳定性和动态范围，是后续优化量程与灵敏度的核心。

7.4.4单通道读取逻辑

根据频率反算电容

sensor_frequency_hz 	= (double)data->sensor_frequency_hz;
omega 					= FDC2214_TWO_PI * sensor_frequency_hz;
capacitance_f 			= 1.0 / (inductance_h * omega * omega);
data->capacitance_pf 	= capacitance_f * 1.0e12;