Dieser Artikel beschreibt, wie sich mithilfe einer Technik aus einem Kapazitäts-Spannungs-Teiler (CVD) und einem peripheren Mikrocontroller, der sogenannten Ladungszeit-Messeinheit (CTMU), kostengünstige kapazitive Berührungssensoren mit minimalem externen Bauteilaufwand realisieren lassen. Abschließend wird anhand eines Referenzdesigns demonstriert, wie mechanische Schalter durch kapazitive Berührungstasten ersetzt werden können.
Kapazitive Berührungssensortechnologie
Das kapazitive Sensor-Scrollrad gewinnt in elektronischen Geräten gegenüber anderen Berührungssensortechnologien zunehmend an Bedeutung.
Funktionsprinzip des kapazitiven Berührungssensors:
Nähert sich ein Finger – oder ein anderes Objekt mit kapazitiven Eigenschaften – einem kapazitiven Berührungssensor ausreichend weit, verhält sich der Sensor wie ein weiterer Kondensator. Dies liegt an den dielektrischen Eigenschaften des Sensors, die die effektive Kapazität des zur Berührungserkennung verwendeten Systems verändern.
Abbildung 1 zeigt, wie die parallele Platte mit dem Eingang des Sensorchips verbunden ist, während der Finger als weitere parallele Platte fungiert. Das Eisen im Blut bildet Bündel von Kondensatoren, die entlang der Körperoberfläche ausgerichtet sind. Nähern sich diese Bündel einem Leiter, entsteht eine geerdete Kapazität, die eine Spannungsänderung zur Folge hat, welche durch den Fingerkontakt bestimmt wird.
Ein Standard-Berührungserkennungssystem besteht aus drei Hauptfunktionsblöcken:
Ein Analogblock zur kapazitiven Datenerfassung.
Ein Controller zur Datenverarbeitung.
Ein Schnittstellenblock zur Kommunikation mit einem Host-Prozessor.
Kapazitive Berührungserkennungslösungen auf Basis von Spannungsschwankungen lassen sich effektiv mit Techniken realisieren, die folgende Komponenten verwenden:
- Eine in einen Mikrocontroller integrierte periphere Ladezeitmesseinheit (CTMU)
- Ein kapazitiver Spannungsteiler (CVD) unter Verwendung des Analog-Digital-Wandlers (ADC), der keine separate Peripherieeinheit für die kapazitive Messung benötigt.
* Effektive Anwendung kapazitiver Berührungssensorik mit dem CTMU-Peripheriegerät:
Das CTMU-Peripheriegerät arbeitet mit einem ADC zusammen und bildet so ein flexibles Analogmodul zur präzisen Kapazitätsmessung. Wie in Abbildung 2 dargestellt, enthält es eine Konstantstromquelle, die an den ADC-Kanal angeschlossen ist. Die Kapazität ändert sich, und die Zeitdifferenz zwischen den Ereignissen wird vom CTMU mithilfe dieser Konstantstromquelle berechnet.
Die CTMU reagiert schneller als die CVD, da ihre Stromquelle mehrere 
wählbare Bereiche aufweist. Die Reaktionszeit des kapazitiven Berührungssystems verbessert sich durch das schnellere Laden der analogen Kanäle.
Die Verwendung eines CTMU-Peripheriegeräts zur kapazitiven Berührungserkennung lässt sich in der folgenden Gleichung zusammenfassen:
I x T = C x V
Dabei
ist I der vom CTMU gelieferte Konstantstrom.
T ist die feste Zeit, in der das CTMU den kapazitiven Berührungssensor auflädt.
C ist die Kapazität des kapazitiven Berührungssensors.
V ist die vom ADC gemessene Spannung des kapazitiven Berührungssensors.
Eine relative Änderung der Kapazität kann durch Beobachtung einer Spannungsänderung festgestellt werden, wenn die Gleichung entsprechend angepasst wird:
C = (I x T) / V
Diese Gleichung verdeutlicht die verschiedenen Schritte der taktilen Kontakterkennung wie folgt:
Der kapazitive Berührungssensor fungiert als Kondensator und ist über einen Multiplexkanal mit der peripheren CTMU und dem ADC verbunden.
Der Berührungssensor wird zunächst für eine voreingestellte Zeit (T) mit einer Konstantstromquelle aufgeladen. Die Spannung (V) am Sensor wird vom ADC gemessen (Abbildung 3).
Solange sich die Kapazität durch Berührung des Sensors nicht ändert, bleibt diese Spannung in aufeinanderfolgenden Messzyklen relativ konstant.
Legende:
1. CTMU-Stromquelle inaktiv
2. Analog-Digital-Wandlung (ADC) durchgeführt
3. Kapazitiver Sensorkreis entladen
4. CTMU-Stromquelle aktiv
In Verbindung mit einem Mehrkanal-ADC bietet die im peripheren CTMU vorhandene Konstantstromquelle eine effektive Schnittstelle für den kapazitiven Berührungssensor. Das periphere CTMU ist direkt mit dem ADC-Eingang verbunden und kann somit über den Analogmultiplexer an jeden beliebigen Pin angeschlossen werden. Mit dieser Konfiguration kann ein einzelnes peripheres CTMU so viele Sensoren messen, wie der ADC Kanäle besitzt. Die
Kalibrierung zur Kompensation externer Störungen und Übertragungsverluste wird durch die mit der Stromquelle verbundenen Justierbits erleichtert.
**Kapazitive Spannungsteiler-Methode für kapazitive Berührungssensoren**
Durch den Vergleich des festen, bekannten Kondensators der Abtast-Halte-Schaltung (S/H) mit dem variablen, unbekannten kapazitiven Sensor nutzt die kapazitive Spannungsteiler-Methode (CVD) ausschließlich den Analog-Digital-Wandler (ADC) für eine spannungsbasierte Messung.
Der CVD wird identisch zu einem typischen Sensor hergestellt: eine Kupferoberfläche auf einer Leiterplatte oder einem ähnlichen leitfähigen Substrat, die direkt mit einem ADC-Kanal verbunden ist. Der restliche Prozess wird durch die präzise Konfiguration des ADC und der Ein-/Ausgänge realisiert.
Die grundlegenden Prinzipien der CVD-Anwendung sind:
Ein Kanal des AD-Wandlers lädt den internen Kondensator der Abtast-Halte-Schaltung auf VDD.
Anschließend wird der Sensorkanal geerdet, um ihn in einen definierten Zustand zu versetzen (Abbildung 4).
Nach dem Erden muss der Sensor wieder als Eingang verwendet werden.
Sobald er als Eingang dient, wird der AD-Wandlerkanal sofort mit dem Sensor verbunden.
Da der Sensorkondensator parallel zum Abtast-Halte-Kondensator (CHOLD) geschaltet ist, entsteht ein Spannungsteiler. Dadurch sind die Spannungen am Sensorkondensator und am Abtast-Halte-Kondensator gleich. Der ADC-Wert wird abgetastet, und der Messwert stellt das Verhältnis der Kapazitäten beider Kondensatoren dar. Berührt ein Finger den Sensor, erhöht sich dessen Kapazität; die Spannung am Sensor sinkt, und die ADC-Messwerte steigen.
Für die kapazitive Berührungserkennung ist keine absolute Kapazitätsmessung erforderlich, da alle Dekodierungsentscheidungen auf Referenzwerten basieren.
Firmware-Entwicklung zur Eliminierung externer Störungen:
Dynamische Kapazitätsschwankungen werden durch Faktoren wie Feuchtigkeit, Wärme, Kontaktdruck, Verunreinigungen auf den Sensoren und elektromagnetische Störungen (EMI/EMV) verursacht und beeinträchtigen die Funktionalität der Berührungssensoren. Um diesen Faktoren entgegenzuwirken und das System zu stärken, kann eine Firmware eingesetzt werden, die dynamische Mittelwertbildung, Anti-Bounce-Funktion und dynamische Triggerpegelanpassung ermöglicht. Um Restrauschen im
Sensor zu reduzieren, muss eine Filtersoftware integriert werden. Diese ermöglicht es der Firmware, zwischen aktiviertem und inaktivem Sensorzustand zu unterscheiden. Der Algorithmus kann so ausgelegt werden, dass er mehrere Berührungskontakte erkennt und zwischen erwünschten und unerwünschten Kontakten unterscheidet. Die Software kann anschließend so kalibriert werden, dass sie einen Berührungskontakt auch dann erkennt, wenn die kapazitive Berührungsschicht mit einer dicken Beschichtung bedeckt ist.
Referenzdesign für kapazitive Berührungssensoranwendungen
Abbildung 5 hilft dem Benutzer, sofort mit der Implementierung eines kapazitiven Berührungssensorsystems zu beginnen. Dieser Ansatz bietet große Flexibilität bei der Integration weiterer Peripheriegeräte wie USB und LCD. Dadurch kann die Zeit bis zur vollständigen Funktionsfähigkeit des Berührungssensorsystems verkürzt werden. Der im Referenzdesign verwendete Mikrocontroller verfügt über 13 ADC-Kanäle zum Anschluss von bis zu 13 Sensoren. Vier kapazitive Berührungssensoren sind an die Ports A0–A3 angeschlossen. Das CTMU-Modul besitzt eine programmierbare Stromquelle zum Laden der kapazitiven Berührungssensoren. Die USB-Buchse dient über eine integrierte USB-Schnittstelle auch als busgespeiste Stromquelle. Die Firmware kann zudem Informationen bereitstellen, indem sie den entsprechenden Status des Berührungssensors über die Pins von Port D auf dem LCD-Modul anzeigt, sobald der Sensor berührt wird. Ein 6-poliger Stecker ist ebenfalls vorhanden, um das Referenzpanel mit einem Hardware-Programmiergerät zu verbinden
Faktoren, die zur Entwicklung effektiver kapazitiver Berührungssensoren beitragen*
Echtzeitanwendungen stellen kapazitive Berührungssensoren vor eine Reihe von Herausforderungen. Durch eine optimierte Konstruktion lassen sich parasitäre Kapazitäten reduzieren und die Fingerkapazität erhöhen, was letztendlich zu einem besseren Sensordesign führt, wie nachfolgend detailliert beschrieben:
Sensorsubstratgröße. Die Form des Sensorsubstrats ist für einen kapazitiven Sensor unerheblich, die Substratfläche hingegen bestimmt seine Empfindlichkeit und sollte daher berücksichtigt werden. Je größer das Substrat, desto besser die Empfindlichkeit; die Fläche sollte etwa der durchschnittlichen Größe einer Fingerspitze (15 x 15 mm) entsprechen. Ist das Sensorsubstrat jedoch größer als optimal, kann die parasitäre Kapazität aufgrund der Nähe zur Masse ansteigen.
Sensorabstand. Bei Berührung eines Sensors erzeugt der Finger zusätzliche Kapazität, nicht nur im aktivierten Sensor, sondern auch in benachbarten Sensoren. Um die Fingerkapazität zu isolieren, muss daher ein Abstand zwischen benachbarten Sensoren eingehalten werden. Der ideale Abstand beträgt das Zwei- bis Dreifache der Dicke des Beschichtungsmaterials des kapazitiven Berührungssensorsystems. Beträgt die Beschichtungsdicke beispielsweise 3 mm, sollte der Abstand zwischen den Sensoren für eine effektive kapazitive Berührungserkennung 6 bis 9 mm betragen.
Leiterbahnlänge auf der Leiterplatte. Eine zu lange Leiterbahn zwischen Sensor und Mikrocontroller kann die Anfälligkeit für parasitäre Kapazitäten erhöhen. Dies kann den Leiterbahnwiderstand verändern und die Empfindlichkeit beeinträchtigen. Die Leiterbahnlänge sollte 300 mm (12 Zoll) nicht überschreiten.
Zusammensetzung und Dicke der Beschichtung: Die Kapazität, die durch einen Finger auf den kapazitiven Berührungssensor übertragen wird, hängt von der Art und Dicke des verwendeten Beschichtungsmaterials ab. Das Beschichtungsmaterial sollte eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen, und so dünn wie möglich sein. Mit zunehmender Beschichtungsdicke steigt auch das Übersprechen zwischen den Sensoren.
Erdungstechniken: Die Detektionsmethode wird durch die parasitäre Kapazität des Sensors gegen Masse beeinflusst. Dies kann durch eine sehr nahe am Sensor platzierte Erdung kompensiert werden. Dadurch wird die parasitäre Kapazität erhöht und ihre Auswirkung auf den Sensor reduziert.
Auswahl des Klebstoffs: Der Klebstoff verbindet das Beschichtungsmaterial mit der Leiterplatte und sollte dünn aufgetragen werden, um eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen. Er muss blasenfrei sein, und alle Anwendungshinweise sollten vor dem Auftragen sorgfältig gelesen werden.
Zusammenfassung:
Dank sinkender Kosten ist Touchsensortechnologie heute eine ideale Option für Industrie- und Konsumprodukte. Der Hauptvorteil gegenüber herkömmlichen mechanischen Schaltern besteht darin, dass kapazitive Touchsensoren über lange Zeiträume keinen Verschleiß aufweisen. Mithilfe eines CTMU-Peripheriegeräts mit integriertem Mikrocontroller oder CVD-Technologie können Entwickler Schnittstellen für kapazitive Touchsensoren kostengünstig und mit minimalem Bauteilaufwand realisieren.
Weitere Informationen finden Sie unter http://www.microchip.com/mtouch.
Referenzen:
1. PIC24F Family Reference Manual, Abschnitt 11 Charge Time Measurement Unit (CTMU), DS39724B, © 2010 Microchip Technology Inc.
2. Microchip Application Notes:
AN1101, Einführung in die kapazitive Sensorik von Tom Perme, © 2007 2010 Microchip Technology Inc.
AN1334, Techniken für robustes Touch-Sensor- Design von Burke Davison, © AN1250
, Microchip CTMU für kapazitive Touch -Anwendungen von Bruce Bohn, © 2009 Microchip Technology Inc.
AN1298, Kapazitives Touch mit nur einem ADC [CVD] von Tom Perme, © 2009 Microchip Technology Inc.an ADC [CVD] (Detección táctil capaci
Autor:
Von: Nithin Kumar Mada - Senior Application Engineer
Harsha Jagadish - Application Engineer
Advanced Microcontroller Architecture Division - Microchip Technology Inc.
