基于MCU實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)與LCD控制應(yīng)用

許多基于MCU的產(chǎn)品使用觸摸和簡(jiǎn)單的LCD輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶界面設(shè)計(jì)，適用于消費(fèi)，工業(yè)和家電應(yīng)用。這些設(shè)備的例子就在我們身邊：恒溫器，警報(bào)/時(shí)鐘，心率監(jiān)視器，葡萄糖監(jiān)視器，計(jì)算器，電子玩具，安全系統(tǒng)，萬(wàn)用表，微波爐和洗衣機(jī)/干衣機(jī)等?，F(xiàn)代MCU采用專用硬件功能來(lái)簡(jiǎn)化這些類型設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，包括觸摸傳感器接口和面向段的LCD控制器。

為了幫助工程師實(shí)現(xiàn)基于這些功能的用戶界面，供應(yīng)商還提供了廣泛的軟件功能生態(tài)系統(tǒng)，軟件庫(kù)，參考設(shè)計(jì)，目標(biāo)開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)板。本文概述了實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)（電阻式和電容式觸摸）以及基于段的LCD控制所需的一些最重要的硬件功能。還介紹了支持生態(tài)系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵元素示例，以幫助為特定用戶界面設(shè)計(jì)選擇最佳解決方案。

段式LCD控制

MCU幾乎用于驅(qū)動(dòng)段的每個(gè)設(shè)備面向LCD的顯示器，由于其低功耗和編程靈活性。即使是具有8位CPU的MCU也具有許多設(shè)計(jì)所需的計(jì)算能力和通用接口。飛思卡爾MC9S08LC60增加了一些特殊用途功能，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了基于段的LCD用戶界面的實(shí)現(xiàn)?？焖贋g覽一些關(guān)鍵的LCD控制器功能是評(píng)估和比較其他設(shè)備中類似功能的良好基準(zhǔn)。

在實(shí)現(xiàn)基于段的LCD控制器功能時(shí)，兩個(gè)最重要的參數(shù)可能是支持的LCD面板類型和可以驅(qū)動(dòng)的段數(shù)。有些LCD面板需要3 V或5 V，而能夠驅(qū)動(dòng)任一電壓電平的MCU（如MC9S08LC60）可提供額外的靈活性?？梢则?qū)動(dòng)的細(xì)分?jǐn)?shù)量和組織支持也是需要靈活性的領(lǐng)域。 MCS08LC60最多可支持4個(gè)背板（主選擇信號(hào)）和最多41個(gè)前端（段選擇信號(hào)）。段的總數(shù)是背板數(shù)量和前板數(shù)量的乘積。請(qǐng)注意，潛在的字符數(shù)取決于每個(gè)字符的段數(shù)以及支持的段數(shù)。有用的表格，如圖1中MC9S08LC60所示，可用于識(shí)別支持的各種組合。請(qǐng)注意，封裝上可用的引腳數(shù)也會(huì)影響段的總數(shù)，從而影響潛在字符的數(shù)量。

圖1：飛思卡爾MC9S08LC60LK的顯示選項(xiàng)（由飛思卡爾提供）一旦確定了LCD面板的類型和段/字符的數(shù)量，就需要探索LCD控制器的一些其他關(guān)鍵特性?？臻g受限設(shè)計(jì)中的一個(gè)有用特性是在MCU本身上包含LCD驅(qū)動(dòng)器。這消除了對(duì)外部驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)電源電路的需要。 MC9S08LC60具有片上電荷泵（用于產(chǎn)生輸出電壓，是參考電壓的兩倍或三倍），為L(zhǎng)CD面板產(chǎn)生3 V或5 V電源電壓。在片上包含電荷泵還簡(jiǎn)化了LCD模塊波形的產(chǎn)生，以提高功率效率。內(nèi)部ADC還可用于監(jiān)控LCD功率水平，以通過(guò)軟件調(diào)整對(duì)比度，從而進(jìn)一步提高功效當(dāng)功率效率是關(guān)鍵要求時(shí)，甚至可以在MCU處于低功率狀態(tài)時(shí)操作LCD。例如，即使MCU處于Wait或Stop3低功耗狀態(tài)，MC9S08LC60也可以生成LCD波形。在這些低功耗狀態(tài)下，片上專用LCD SRAM的內(nèi)容將自動(dòng)顯示在LCD上，無(wú)需CPU干預(yù)。靈活的LCD幀頻率和占空比設(shè)置也有助于降低與LCD相關(guān)的功耗。

除了提供高級(jí)硬件功能外，大多數(shù)供應(yīng)商還提供先進(jìn)的工具，開(kāi)發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化簡(jiǎn)單用戶的實(shí)施接口。例如，德州儀器（TI）為使用TI MSP430系列的目標(biāo)應(yīng)用提供了一系列套件和參考設(shè)計(jì)。針對(duì)TI MSP430F6736的參考設(shè)計(jì)和評(píng)估模塊可用于智能計(jì)量應(yīng)用，它為各種面向段的計(jì)量設(shè)計(jì)提供了出色的起點(diǎn)。電路板圖和設(shè)計(jì)相關(guān)框圖如圖2所示。

圖2：具有分段LCD接口的智能電表參考設(shè)計(jì)（由德州儀器公司提供） 。

TI MSP430F6736上的LCD控制器可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)320個(gè)段，具體取決于器件上可用的引腳數(shù)。支持的LCD類型包括靜態(tài)和多路復(fù)用型設(shè)備。多路復(fù)用樣式最多使用8個(gè)常用信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)一組最多40個(gè)單獨(dú)的段控制。在上圖中，六個(gè)7段數(shù)字中的每一個(gè)可以用不同的公共信號(hào)啟用，以簡(jiǎn)化數(shù)字結(jié)果的顯示?？梢允褂檬Ｓ嗟膬蓚€(gè)公共信號(hào)選擇剩余的段（kWh，kW等），并根據(jù)它們的顯示時(shí)間進(jìn)行共享。規(guī)劃段布局中的一些想法可以節(jié)省大量的數(shù)據(jù)格式和轉(zhuǎn)換。理想情況下，LCD控制需要很少的處理，因此CPU可以盡可能地保持低功耗模式。

TI MSP430F6736具有多種自動(dòng)化LCD控制功能，包括自動(dòng)信號(hào)生成（因此CPU）不需要參與低級(jí)顯示操作），可配置幀頻，使用單獨(dú)的閃爍存儲(chǔ)器（靜態(tài)，2到4多路復(fù)用LCD）自動(dòng)段閃爍，集成電荷泵和1/3的分?jǐn)?shù)偏置控制設(shè)置， VLCD設(shè)置的1/2和2/3。有四個(gè)中斷源可用于簡(jiǎn)化顯示存儲(chǔ)器的更新，以避免在顯示周期內(nèi)發(fā)生變化。用于設(shè)置中斷的示例程序包含在數(shù)據(jù)表中，并顯示逐周期延遲，以幫助您制作最有效的中斷處理程序。

TI提供了豐富的示例代碼，其中包含智能電表參考設(shè)計(jì)，并包含預(yù)構(gòu)建的項(xiàng)目，使用IAR編譯器。包含了構(gòu)建過(guò)程的演練，因此不需要以前使用IAR編譯器的經(jīng)驗(yàn)來(lái)從構(gòu)建示例設(shè)計(jì)和查看演示中受益。還包括完整的原理圖，以便輕松利用已經(jīng)實(shí)施和測(cè)試的電路板設(shè)計(jì)和布局。

觸摸界面

使用分段LCD向用戶顯示信息是一種出色的輸出設(shè)備，但大多數(shù)用戶界面也需要用戶輸入。觸摸界面提供最直觀的輸入樣式之一，通常比機(jī)械開(kāi)關(guān)或指示器更強(qiáng)大。制造商正在為MCU添加功能，以實(shí)現(xiàn)直觀的觸摸界面。 Silicon Labs EFM32WG990F256具有一些針對(duì)電阻式觸摸界面的高級(jí)功能Silicon Labs EMF32WG990F256上提供的低能量傳感器接口（LESENSE）與其他外設(shè)配合使用，可使用可配置傳感器執(zhí)行許多自主測(cè)量。 LESENSE使用片上模擬比較器與DAC一起測(cè)量傳感器信號(hào)，以生成準(zhǔn)確的參考電壓或執(zhí)行傳感器激勵(lì)。 LESENSE包含自己的定序器，計(jì)數(shù)和比較塊，以及用于配置和結(jié)果存儲(chǔ)的RAM塊。定序器處理與其他外圍設(shè)備的交互以及傳感器測(cè)量的定時(shí)。計(jì)數(shù)和比較塊用于在與可配置閾值進(jìn)行比較之前對(duì)來(lái)自模擬比較輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了自主分析傳感器結(jié)果，LESENSE解碼器可以定義一個(gè)具有多達(dá)16個(gè)狀態(tài)的可編程狀態(tài)機(jī)，以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的可編程動(dòng)作。這允許解碼器實(shí)現(xiàn)寬范圍的解碼方案，例如正交解碼。專用RAM模塊用于存儲(chǔ)配置和測(cè)量結(jié)果，支持相對(duì)較大的結(jié)果緩沖器，使芯片能夠在收集傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間保持低能量模式。 LESENSE可以在多種低功耗模式下工作，并可以在可配置事件中喚醒CPU。

LESENSE定序器的操作原理如圖3所示?；镜碾娮韪袘?yīng)方法是簡(jiǎn)單地測(cè)量變量上的電壓電阻器，其電阻根據(jù)環(huán)境因素而變化，例如溫度，光或機(jī)械位置。具有可變電阻器的觸摸傳感器僅根據(jù)觸摸板上的力（或不足）來(lái)改變電阻。 （一些最復(fù)雜的觸摸界面也可以根據(jù)來(lái)自多個(gè)傳感器的讀數(shù)來(lái)定位觸摸的位置，但理論與單個(gè)開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)的理論相同）。電阻檢測(cè)接口的單引腳版本顯示在圖3的左上方。

電容放置在檢測(cè)引腳的輸出端，與電阻傳感器“S”并聯(lián)。在激勵(lì)階段期間，在輸出上施加電壓，對(duì)電容器充電。電荷停留在電容上，然后引腳切換到測(cè)量模式。如果傳感器處于活動(dòng)狀態(tài)（并且傳感器的電阻因此降低），則電壓放電更快，如圖3左下圖所示。如果傳感器處于非活動(dòng)狀態(tài)（并且傳感器電阻較大） ，電壓電平放電更慢。可以對(duì)輸出引腳上的電壓測(cè)量進(jìn)行定時(shí)（在一些校準(zhǔn)之后），使得樣本將指示傳感器是否已被觸摸。在圖3右上側(cè)的配置中，使用了兩個(gè)引腳。 LES_ALTEXn引腳用于激勵(lì)傳感器，ACMPn引腳用于測(cè)量電阻分壓器上的電壓。得到的測(cè)量值將指示傳感器是處于高阻態(tài)還是低阻態(tài)以確定傳感器是否已被觸摸。

圖3：使用Silicon Labs EFM32WG990F256的電阻式觸摸感應(yīng)（由Silicon Labs提供。）LESENSE外設(shè)可以使用非常低的功率從CPU的其余部分自主運(yùn)行。 CPU可以從不需要更高級(jí)別響應(yīng)的傳感器事件中“屏蔽”，以便管理接口消耗最少的能量。專用SRAM甚至可以緩沖大量讀數(shù)，以便CPU可以在低功耗狀態(tài)下等待，直到有足夠的樣本可用于批量處理。 EFM32WG-DK3850開(kāi)發(fā)套件包括各種示例程序，可用作自定義接口設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。

Atmel提供各種“觸摸就緒”的MCU（例如ATSAM3U4CA-AU） -ND）并且不僅具有廣泛的硬件功能來(lái)支持電容式觸摸，而且可以與功能強(qiáng)大的QTouch庫(kù)1結(jié)合使用，以使用高級(jí)結(jié)構(gòu)快速實(shí)現(xiàn)觸摸界面。設(shè)計(jì)人員可以在各種Atmel MCU上使用通用API嵌入電容式觸摸按鈕，滑塊和滾輪功能。電容觸摸通常使用圖4中所示的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖的左側(cè)所示，電容基于覆蓋物朝向傳感器按壓的量而變化?？梢詼y(cè)量在圖的右側(cè)示出的結(jié)果信號(hào)變化以確定是否正在觸摸傳感器。使用更復(fù)雜的測(cè)量，可以確定滑塊，輪子甚至二維運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)（對(duì)于觸摸板或觸摸屏）。

圖4：使用Atmel QTouch技術(shù)的電容式觸摸實(shí)現(xiàn)（由Atmel提供）。

Atmel QTouch Library提供了關(guān)鍵的高級(jí)功能，用于初始化，配置，校準(zhǔn)和測(cè)量電容式觸摸傳感器，如庫(kù)中可用的API調(diào)用列表所示。傳感器的典型呼叫序列顯示在圖5的右側(cè)。請(qǐng)注意，可以初始化多個(gè)傳感器，然后在單個(gè)傳感器回路中進(jìn)行測(cè)量。實(shí)現(xiàn)通用元素（如觸摸界面）的庫(kù)方法是一個(gè)功能強(qiáng)大的方法，可以顯著提高生產(chǎn)力，并且我們可以期待看到其他常見(jiàn)接口，其中低級(jí)硬件細(xì)節(jié)可以輕易地從用戶“隱藏”。 br》 Atmel還提供了一個(gè)名為“觸摸解決方案概述”的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，以幫助工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5：Atmel QTouch API示例和典型的調(diào)用序列。

總結(jié)

在許多MCU設(shè)計(jì)中都可以找到面向段的LCD和觸摸接口。制造商正在提供功能，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，參考設(shè)計(jì)和高級(jí)軟件，以便在您的下一個(gè)設(shè)計(jì)中盡可能簡(jiǎn)單地包含這些功能。