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。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。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。一個簡單的按鈕是最常見的實現(xiàn)。

一維傳感器可以檢測手指沿一個直線軸的運動?；瑝K和輪子是最流行的實現(xiàn)。

二維傳感器可以檢測手指沿兩個軸的運動。觸摸屏和觸摸板是很好的例子。

這項技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，但與以往一樣，設(shè)計最終用戶系統(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)格上各個點的電容變化，可以非常準(zhǔn)確地確定觸摸位置?；ル娙葜С侄帱c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設(shè)備的選項，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。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)計考慮

電容式觸摸應(yīng)用程序需要設(shè)計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)計師。電阻觸摸技術(shù)也包含在分析中，因為它仍在廣泛使用，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

當(dāng)一個外部傳感器接口在單片機(jī)的CAN不浪費能源，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，因為我們今天的問題是關(guān)于單片機(jī)的低功耗操作模式有多個“備用”。“深睡眠”。每一步快，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實現(xiàn)如此經(jīng)常，及時響應(yīng)，它實際上是發(fā)射功率的消費更多的是在較高的活動狀態(tài)。

硅實驗室方法節(jié)能是其低能量傳感器接口(lesense)，它已被設(shè)計，以回應(yīng)傳感器輸入到單片機(jī)的一點是在深睡眠模式。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獨立勛章，因為它是單片機(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和硅實驗室

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，因為其精度，耐久性和其他性能特征。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)計師提供友好的人機(jī)界面匹配和管理有效的能源消費。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。