電容式觸摸測試MCU靈活性

電容觸摸技術(shù)被應(yīng)用在廣泛的電子產(chǎn)品從智能手機(jī)，冰箱和汽車。在許多應(yīng)用中，電容式觸摸傳感器提供輸入到一個(gè)專用的控制器芯片。微控制器直接參與當(dāng)控制器集成為一個(gè)外圍設(shè)備的MCU模具。

不管在MCU是否具有傳感器/控制器電路集成在芯片上，或者如果觸摸傳感器信息是在一個(gè)專用設(shè)備，MCU必須處理，以達(dá)到令人滿意的用戶體驗(yàn)的若干由電容觸摸輸入創(chuàng)建的問題。這些包括延遲(用于用戶及時(shí)響應(yīng))，準(zhǔn)確性及能源消耗。能耗是特別重要的電池供電設(shè)備。

MCU供應(yīng)商都提供了各種各樣的電容式觸摸解決方案，從專用外設(shè)與電容式觸摸傳感器的電池供電應(yīng)用的超低功耗接口。在回顧的解決方案，然而，電容式觸摸技術(shù)快速審查應(yīng)該是有幫助的。

電容式觸摸基礎(chǔ)知識

一般目前特殊設(shè)計(jì)的問題和電容式觸摸傳感器傳感器并沒有什么不同。多的復(fù)雜性是由于這樣的事實(shí)，即傳感器的電場的分布特性使它們的行為“集總元件”近似不準(zhǔn)確和誤導(dǎo)。為了解決這些問題，半導(dǎo)體公司已經(jīng)出版了許多應(yīng)用筆記，基本上提供規(guī)則 - 如果遵循 - 將導(dǎo)致一個(gè)成功的設(shè)計(jì)。本文將針對基本的考慮;了解一些基礎(chǔ)知識是必不可少的得到正確的方向開始的設(shè)計(jì)。

電容式觸摸傳感器都可以使用簡單的空間參數(shù)進(jìn)行大致分類：

零維傳感器單點(diǎn)聯(lián)系的回應(yīng)。一個(gè)簡單的按鈕是最常見的實(shí)現(xiàn)。

一維傳感器可以檢測手指的移動沿單一，線性軸。滑塊和滑輪是最流行的實(shí)現(xiàn)。

二維傳感器可以檢測手指的運(yùn)動沿兩個(gè)軸。觸摸屏和觸摸板都是很好的例子。

該技術(shù)是復(fù)雜得多，但是，一如既往，在設(shè)計(jì)最終用戶系統(tǒng)中的第一個(gè)重要步驟是選擇對應(yīng)于應(yīng)用程序的傳感器類型。

最基本的電容式觸控技術(shù)，一維和二維傳感器依賴于表面電容。所述面板的一側(cè)被涂覆有導(dǎo)電材料，而另一側(cè)是絕緣材料。一個(gè)小的電壓被施加到導(dǎo)電層以創(chuàng)建弱電場。當(dāng)導(dǎo)電手指或觸筆觸摸表面，電容器瞬間產(chǎn)生，這改變了電場。

該傳感器的控制器可以間接通過測量從四個(gè)角面板的電容的變化計(jì)算觸摸的位置。的電容變化較大，越接近觸摸是那個(gè)角落。表面電容技術(shù)具有相當(dāng)分辨率低且受引起的電容耦合的誤差。由于這些原因，它通常用于工業(yè)控制和亭。

投射電容式觸摸

投射電容式觸摸(PCT)技術(shù)更準(zhǔn)確，靈活的比使用表面電容。該導(dǎo)電層被蝕刻在X-Y柵格。有兩種類型的PCT傳感器技術(shù)：自電容和互電容。

在自電容感測，在XY網(wǎng)格的行和列獨(dú)立操作。位置由一個(gè)手指上的每個(gè)列或行的容性負(fù)載的相對位置來確定。創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)信號，但自電容感測不能準(zhǔn)確地解析多于一個(gè)手指，這可能會導(dǎo)致“鬼影”或放錯(cuò)位置的位置感測。

互電容式傳感器具有一個(gè)電容器在每行和每列的交叉點(diǎn)。當(dāng)將電壓施加到行或列，甚至使手指或?qū)щ娪|針的傳感器的表面附近改變局部電場，降低了互電容。觸摸位置可以非常精確地通過測量電容變化在網(wǎng)格上的每個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)來確定。互電容支持多點(diǎn)觸控操作，這意味著，多個(gè)手指的位置可以準(zhǔn)確地跟蹤在同一時(shí)間。

PCT是銷售點(diǎn)的需要，記錄簽名能力的設(shè)備一個(gè)受歡迎的傳感選項(xiàng)。然而，PCT性能可以負(fù)面在面板表面導(dǎo)電污跡的影響。塵埃附著在面板也可以是一個(gè)問題。

MCU供應(yīng)商設(shè)計(jì)產(chǎn)品系列正是為了處理傳感器的剛剛討論的類型。愛特梅爾，例如，開發(fā)的傳感器控制器系列的按鈕，滑塊和滑輪。該產(chǎn)品可作為無論是IP集成在Atmel的AVR或使用該公司的QTouch軟件庫Atmel基于ARM的MCU內(nèi)核的一個(gè)或作為特定應(yīng)用的設(shè)備。 QTouch軟件家族用于與自電容傳感器的設(shè)計(jì)。其QMatrix感應(yīng)控制器用于與互電容傳感器。愛特梅爾使得可舉家評估板。

德州儀器MSP430超值系列G2xx2 / 3 MCU的某些配置是專為電容式觸摸應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。這些MCU包括電容式觸摸感應(yīng)IO的，使開發(fā)人員能夠使用，無需外部元件電容觸摸板直接連接。對于更復(fù)雜的應(yīng)用，公司的MSP430F51x2設(shè)備，如MSP430F5152IDAR，包括，提供4納秒的分辨率，它能使高精度觸摸感測了高性能的計(jì)時(shí)器。

許多IC公司具有電容式觸摸產(chǎn)品線。它們包括但不限于愛特梅爾，Cypress半導(dǎo)體公司，飛思卡爾半導(dǎo)體，Microchip的技術(shù)，恩智浦半導(dǎo)體，Silicon Labs公司和德州儀器。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

電容式觸摸應(yīng)用程序要求設(shè)計(jì)師要考慮的不僅僅是MCU。功率消耗是重要的，電池供電的設(shè)計(jì)，并經(jīng)過多按鈕被按下的時(shí)刻，并從系統(tǒng)的反應(yīng)之間(等待時(shí)間)的時(shí)間也是非常重要的。

其他因素也必須在光應(yīng)用程序的情況下使用的考慮。這包括環(huán)境光線的靈敏度(屏幕眩光)，成本，耐久性和最小/最大尺寸。所有這些標(biāo)準(zhǔn)的探索已經(jīng)超出了本文的范圍，但是2014年的分析由明尼蘇達(dá)州立大學(xué)出版的論文集ASEE(ASSE-NWMSC2014-1C1)包括一個(gè)表(圖1)，應(yīng)該是設(shè)計(jì)師的幫助。電阻式觸摸技術(shù)也被包括在分析中，因?yàn)樗匀皇窃趶V泛使用，雖然一般不作為能夠作為電容性觸摸。這些技術(shù)都排的規(guī)模為0至5，用5是“最好的”和0是“最差”的表現(xiàn)。 PCT擁有最好的收視率，但整體表面電容技術(shù)，應(yīng)考慮對成本敏感的應(yīng)用和產(chǎn)品，更大的屏幕。

圖1：三種流行的觸控技術(shù)比較功能。 (明尼蘇達(dá)州立大學(xué)提供)

能源消耗

或缺乏互動 - - 傳感器和MCU之間當(dāng)連接一個(gè)MCU外部傳感器，顯著能量可以基本上由所述相互作用浪費(fèi)。諷刺的是，這個(gè)問題涉及有關(guān)，因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)微控制器具有多種低功耗工作模式從“待機(jī)”，以“深度睡眠。”每一步深入到低功耗操作通常伴隨著更多的開銷喚醒所需的時(shí)間從功率模式。

當(dāng)與觸摸傳感器輸入處理，一個(gè)主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)及時(shí)的響應(yīng)，但是這可能是不可能的，在較低的睡眠模式。該問題會更加嚴(yán)重，如果MCU有醒來常常以實(shí)現(xiàn)及時(shí)的響應(yīng)，它實(shí)際上開始消耗更多的功率，這將在一個(gè)較高的活動狀態(tài)。

Silicon Labs的方法來節(jié)約能源是它的低能量傳感器接口(LESENSE)，它的設(shè)計(jì)以應(yīng)對傳感器輸入而MCU仍處于深度睡眠模式。 LESENSE被集成到該公司的EFM32系列32位基于ARM的微控制器。在電池供電的觸控應(yīng)用，小壁虎家族往往提供了最好的選擇。

LESENSE電路包括模擬比較器，一個(gè)DAC，并在32 kHz的頻率運(yùn)行的音序器模塊。該引腳連接到比較和是否DAC的定序的控制被用來提供更精確的比較器的參考。比較器輸出可以被計(jì)算和組合，使得CPU醒僅發(fā)生一組預(yù)定的條件下，觸摸屏的諸如兩個(gè)抽頭內(nèi)的某個(gè)時(shí)間窗口。這一切都是可能的，而MCU保持在深度睡眠模式。

LESENSE獨(dú)立于MCU的工作，因?yàn)樗渲门c其他外設(shè)的工作，特別是公司的外設(shè)反射系統(tǒng)(PRS)。這使得設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)控外部事件而無需CPU干預(yù)。

在電容性感測，它幾乎總是測量電容的變化是不是進(jìn)行的絕對測量更加重要的情況下。設(shè)計(jì)師通常通過定位之間的檢測引腳接地引腳電容為RC振蕩電路的一部分，監(jiān)測這些變化。在該結(jié)構(gòu)中，振蕩頻率取決于電容存在于檢測引腳。其結(jié)果是，觸摸開關(guān)可以簡單地通過直接連接檢測引腳到觸摸板來實(shí)現(xiàn)。不需要其他外部元件。

該狀態(tài)機(jī)的操作的簡便性示于圖2中的圖的上，下兩部分之間的差別是，不同的模擬輸入產(chǎn)生在LESENSE狀態(tài)機(jī)不同的結(jié)果，并且，反過來，葉中的MCU睡眠模式(上)或喚醒它(下)。

Silicon Labs公司LESENSE和PRS的圖像

圖2：電容觸摸傳感使用LESENSE和PRS一個(gè)簡單的觸摸開關(guān)。 (Silicon Labs公司提供)

結(jié)論

觸摸感應(yīng)輸入已經(jīng)成為一種主流技術(shù)在廣泛的從簡單的按鈕，智能手機(jī)和平板電腦的應(yīng)用范圍。電容式觸摸已成為由于其精度，耐用性和其他性能特性的主導(dǎo)技術(shù)。在許多應(yīng)用中，一個(gè)MCU接口與容性觸摸傳感器，這往往挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)者提供及時(shí)響應(yīng)人機(jī)接口和有效地管理能量消耗。有沒有一個(gè)放之四海而皆準(zhǔn)的所有電容式觸摸應(yīng)用的解決方案，但MCU供應(yīng)商已經(jīng)提供了一系列解決方案，一個(gè)是一定要適合任何應(yīng)用程序。

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