電容觸摸技術(shù)在MCU的應(yīng)用

電容觸摸技術(shù)廣泛應(yīng)用于從智能手機(jī)到冰箱和汽車的電子產(chǎn)品中。在許多應(yīng)用中，電容式觸摸傳感器向?qū)Ｓ?a target="_blank">控制器芯片提供輸入。MCU直接參與當(dāng)控制器集成為一個外圍單片機(jī)上死去。

無論MCU是否具有集成在芯片上的傳感器/控制器電路，如果觸摸傳感器信息來自專用設(shè)備，MCU必須處理由電容觸摸輸入產(chǎn)生的若干問題，以達(dá)到令人滿意的用戶體驗(yàn)。這些包括延遲(對用戶的及時響應(yīng))、準(zhǔn)確性和能耗。在電池供電的設(shè)備中，能量消耗尤為重要。

MCU供應(yīng)商提供各種各樣的電容觸摸解決方案，從專用外設(shè)到超低功耗接口，以及電池供電應(yīng)用的電容式觸摸傳感器。然而，在審查解決方案之前，對電容觸摸技術(shù)的快速回顧應(yīng)該是有幫助的。

電容式觸摸基礎(chǔ)

傳感器一般呈現(xiàn)特殊的設(shè)計(jì)問題，電容式觸摸傳感器沒有什么不同。復(fù)雜度很大程度上是由于傳感器電場的分布特性使得“集總元件”近似的行為不準(zhǔn)確和誤導(dǎo)。為了解決這些問題，半導(dǎo)體公司已經(jīng)發(fā)表了大量的應(yīng)用筆記，基本上提供了規(guī)則，如果遵循的話，將導(dǎo)致一個成功的設(shè)計(jì)。本文將討論基本的考慮因素;了解一些基本知識對于使設(shè)計(jì)從正確的方向開始是必要的。

電容式觸摸傳感器可以用簡單的空間參數(shù)大致分類：

零維傳感器響應(yīng)單個接觸點(diǎn)。一個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沿一個直線軸的運(yùn)動?；瑝K和輪子是最流行的實(shí)現(xiàn)。

二維傳感器可以檢測手指沿兩個軸的運(yùn)動。觸摸屏和觸摸板是很好的例子。

這項(xiàng)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，但與以往一樣，設(shè)計(jì)最終用戶系統(tǒng)的第一個重要步驟是選擇與應(yīng)用程序相對應(yīng)的傳感器類型。

一、二維傳感器最基本的電容觸摸技術(shù)取決于表面電容。面板一側(cè)涂有導(dǎo)電材料，另一面為絕緣材料。一個小的電壓被施加到導(dǎo)電層，以創(chuàng)建一個弱電場。當(dāng)導(dǎo)電手指或觸筆觸到表面時，電容器就會瞬間產(chǎn)生，從而改變電場。

傳感器的控制器可以通過測量面板四個角的電容變化間接地計(jì)算觸摸的位置。電容變化越大，接觸就越靠近那個角。表面電容技術(shù)分辨率很低，容易受到電容耦合引起的誤差。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

投影電容觸摸(PCT)技術(shù)比只使用表面電容更精確、更靈活。導(dǎo)電層被蝕刻在X-Y網(wǎng)格。PCT傳感器技術(shù)有兩種：自電容和互電容。

在自電容傳感的X-Y網(wǎng)格的行和列的獨(dú)立操作。位置取決于手指在每一列或行上的電容負(fù)荷的相對位置。一個強(qiáng)烈的信號，是創(chuàng)建但自電容傳感不能準(zhǔn)確地解決多個手指，會產(chǎn)生“鬼影”，“或放錯位置傳感。

互電容式傳感器在每一行和每一列的交叉處都有一個電容器。當(dāng)電壓施加到行或列時，即使在傳感器表面上帶一根手指或?qū)щ姽P，也會改變局部電場并降低互電容。通過測量網(wǎng)格上各個點(diǎn)的電容變化，可以非常準(zhǔn)確地確定觸摸位置。互電容支持多點(diǎn)觸摸操作，也就是說多個手指的位置可以在同一時間精確跟蹤。

PCT是一種流行的用于銷售點(diǎn)設(shè)備的選項(xiàng)，它需要記錄簽名的能力。然而，PCT性能可以通過面板上的污跡表面導(dǎo)電的負(fù)面影響。粘在面板上的灰塵也可能是個問題。

MCU廠商設(shè)計(jì)了產(chǎn)品族，精確地處理了剛剛討論過的傳感器類型。例如，Atmel開發(fā)了用于按鈕、滑塊和車輪的傳感器控制器家族。該產(chǎn)品可作為IP集成在一個Atmel公司的AVR或Atmel的ARM MCU內(nèi)核使用公司QTouch庫或應(yīng)用程序特定的設(shè)備。Qtouch家族是用于自電容傳感器的設(shè)計(jì)。它的Qmatrix傳感器控制器用于與互電容傳感器。Atmel公司為兩個家庭提供了評估板。

德克薩斯儀器MSP430的價(jià)值線g2xx2/3單片機(jī)的一些配置是專為電容式觸摸應(yīng)用。這些MCU包括電容式觸摸感的iOS允許開發(fā)人員無需外部元件與電容式觸控板的直接接口。對于更復(fù)雜的應(yīng)用程序，該公司的msp430f51x2設(shè)備，如msp430f5152idar，包括高性能定時器提供4 ns的分辨率，使高精度觸摸傳感。

許多IC公司都有電容觸摸的產(chǎn)品線。它們包括但不限于Atmel、Cypress半導(dǎo)體、飛思卡爾半導(dǎo)體芯片技術(shù)，恩智浦半導(dǎo)體，Silicon Labs、德克薩斯文書。

設(shè)計(jì)考慮

電容式觸摸應(yīng)用程序需要設(shè)計(jì)者考慮的不僅僅是單片機(jī)。在電池供電的電力消耗是很重要的，而這段時間(潛伏期)之間的瞬間按下按鈕，從系統(tǒng)的反應(yīng)也非常重要。

其他因素也必須根據(jù)應(yīng)用程序的用例來考慮。這些措施包括環(huán)境光靈敏度(屏幕眩光)，成本，耐用性和最小/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2014分析由明尼蘇達(dá)州立大學(xué)發(fā)表在由程序(asse-nwmsc2014-1c1)包括一個表(圖1)，將有助于設(shè)計(jì)師。電阻觸摸技術(shù)也包含在分析中，因?yàn)樗栽趶V泛使用，雖然一般不象電容觸摸那樣有能力。這些技術(shù)的排名是0到5，其中5是“最好”，0是“最差”的表現(xiàn)。PCT有最好的整體評級，但表面電容技術(shù)應(yīng)考慮對成本敏感的應(yīng)用和大屏幕的產(chǎn)品。

特征 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 電阻(線) ? ? ? ? ? ? ? 表面電容式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?投射電容式

環(huán)境光靈敏度 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5 - ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5

校準(zhǔn)穩(wěn)定性 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 - ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5

成本 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2

耐久性 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5

多點(diǎn)觸摸 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5

耐候性 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5

最佳適用尺寸 ? ? ? ? ? ? ? ? 2 - 26 ? ? ? ? ? ? ? ? ? “12”- 26 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?“2”- 10“

手機(jī)/掌上電腦 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5

圖1：三種流行觸摸技術(shù)的比較特征。

能源消費(fèi)

當(dāng)一個外部傳感器接口在單片機(jī)的CAN不浪費(fèi)能源，重要的互動或交互––漆之間的傳感器和微處理器。具有諷刺意味的是，因?yàn)槲覀兘裉斓膯栴}是關(guān)于單片機(jī)的低功耗操作模式有多個“備用”?！吧钏摺薄Ｃ恳徊娇?，通常伴隨著低功率操作的開銷是由更多的時間需要從功率模式喚醒。

當(dāng)處理一個觸摸傳感器的輸入，一個主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)及時響應(yīng)，但這可能不是可以在較低的睡眠模式。問題是，如果exacerbated已喚醒MCU實(shí)現(xiàn)如此經(jīng)常，及時響應(yīng)，它實(shí)際上是發(fā)射功率的消費(fèi)更多的是在較高的活動狀態(tài)。

硅實(shí)驗(yàn)室方法節(jié)能是其低能量傳感器接口(lesense)，它已被設(shè)計(jì)，以回應(yīng)傳感器輸入到單片機(jī)的一點(diǎn)是在深睡眠模式。lesense是集成到公司的efm32系列32位ARM微控制器為基礎(chǔ)的。在電池供電的觸摸應(yīng)用程序，小壁虎(家庭提供最好的選擇。

lesense DAC的模擬電路包括一comparators，音序器模塊，和一個運(yùn)行在32千赫。這是在音序器控制引腳連接到comparators和是否DAC是提供一個更準(zhǔn)確的比較參考。比較器的輸出可以組合數(shù)和CPU一樣，如果一組只讀awakes預(yù)定條件已經(jīng)發(fā)生，如觸摸屏在一個水龍頭一一定的時間窗口。這是可能的在單片機(jī)仍然在深睡眠模式。

在lesense獨(dú)立勛章，因?yàn)樗菃纹瑱C(jī)與外設(shè)配置和其他公司，特別的外圍反射系統(tǒng)(PRS)。這使得它可以為設(shè)計(jì)者創(chuàng)建狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)的外部事件的監(jiān)測沒有CPU的干預(yù)。

在一個電容感應(yīng)，它是能夠測量在一個案例是更重要的比電容的變化制作的絕對測量。監(jiān)測這些變化，通常由設(shè)計(jì)師定位之間的電容和地面的一部分。義銷銷在RC振蕩器電路。在這種結(jié)構(gòu)，振蕩頻率取決于電容的銀行目前在銷的鐮刀。As a result，觸摸開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)通過簡單的引腳，其中直接觸摸墊的鐮刀。沒有其他外部元件是必要的。

在簡單的機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)是顯示在圖2。的差異之間的上層和較低的部分是在不同的模擬輸入的數(shù)字是，產(chǎn)生不同的結(jié)果，這在lesense狀態(tài)機(jī)，轉(zhuǎn)向，單片機(jī)進(jìn)入睡眠模式(在葉子上)或“IT(下)。

圖像lesense PRS和硅實(shí)驗(yàn)室

圖2：一個電容感應(yīng)觸摸開關(guān)的使用和簡單的lesense PRS。

結(jié)論

觸摸敏感的輸入成為一個主流技術(shù)在A A寬譜應(yīng)用到智能手機(jī)和平板電腦，從簡單的按鈕。一個電容觸摸技術(shù)已成為占主導(dǎo)地位，因?yàn)槠渚龋途眯院推渌阅芴卣?。在許多應(yīng)用程序，與單片機(jī)接口個電容觸摸傳感器，它經(jīng)常挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)師提供友好的人機(jī)界面匹配和管理有效的能源消費(fèi)。沒有一刀切的解決方案在個電容觸摸應(yīng)用程序，但有一系列的MCU供應(yīng)商提供的解決方案和一個是要適合任何應(yīng)用程序。