Questo articolo descrive come una tecnica basata su un partitore di tensione capacitivo (CVD) e un microcontrollore periferico denominato unità di misurazione del tempo di carica (CTMU) possa essere utilizzata per creare sensori tattili capacitivi a basso costo con un numero minimo di componenti esterni. Infine, un progetto di riferimento mostrerà come sostituire gli interruttori meccanici con tasti tattili capacitivi.
Tecnologia del sensore tattile capacitivo:
la rotella di scorrimento con sensore capacitivo sta diventando sempre più diffusa nei dispositivi elettronici rispetto ad altre tecnologie di sensori tattili.
Principi di funzionamento del sensore tattile capacitivo:
se un dito, o qualsiasi altro oggetto con proprietà capacitive, si avvicina sufficientemente a un sensore tattile capacitivo, il sensore si comporta come un ulteriore condensatore. Ciò è dovuto alla natura dielettrica del sensore, che varia la capacità effettiva del sistema utilizzato per rilevare il tocco.
La Figura 1 mostra come la piastra parallela sia collegata all'ingresso del chip del sensore, mentre il dito funge da ulteriore piastra parallela. Il ferro presente nel sangue crea fasci di condensatori allineati con la superficie del corpo. Quando questi fasci si avvicinano a un conduttore, creano una capacità verso massa, con conseguente variazione di tensione, determinata dal contatto del dito.
Un sistema standard di rilevamento del tocco è costituito da tre blocchi funzionali principali:
Un blocco analogico per il rilevamento capacitivo.
Un controller per l'elaborazione dei dati.
Un blocco di interfaccia per la comunicazione con un processore host.
Le soluzioni di rilevamento tattile capacitivo basate sulla variazione di tensione possono essere implementate efficacemente utilizzando tecniche che impiegano i seguenti componenti:
- Un'unità periferica di misurazione del tempo di carica (CTMU) integrata in un microcontrollore
- Un divisore di tensione capacitivo (CVD), che utilizza il convertitore analogico-digitale (ADC), che non richiede una periferica dedicata per il rilevamento capacitivo
* Applicazione efficace del rilevamento tattile capacitivo tramite la periferica CTMU
La periferica CTMU funziona in combinazione con un ADC per formare un modulo analogico flessibile per la misurazione precisa della capacità. Come mostrato in Figura 2, contiene una sorgente di corrente costante collegata al canale ADC. La capacità varia e la differenza di tempo tra gli eventi viene calcolata dalla CTMU utilizzando la sorgente di corrente costante.
La risposta del CTMU sarà più rapida di quella del CVD perché la sua sorgente di corrente ha diverse 
gamme selezionabili. Il tempo di risposta del sistema touch capacitivo migliora grazie alla ricarica più rapida dei canali analogici.
L'utilizzo di una periferica CTMU per il rilevamento del tocco capacitivo è riassunto nella seguente equazione:
I x T = C x V
Dove
I è la corrente costante fornita dalla sorgente CTMU.
T è il tempo fisso durante il quale la CTMU carica il sensore tattile capacitivo.
C è la capacità del sensore tattile capacitivo.
V è la tensione del sensore tattile capacitivo, letta dall'ADC.
È possibile rilevare uno spostamento relativo della capacità osservando una variazione di tensione se l'equazione viene riadattata:
C = (I x T) / V
Questa equazione evidenzia le diverse fasi coinvolte nel rilevamento del contatto tattile, come segue:
Il sensore tattile capacitivo funziona come un condensatore ed è collegato a un canale multiplexato con la periferica CTMU e l'ADC.
Il sensore tattile viene inizialmente caricato da una sorgente di corrente costante per un tempo preimpostato (T). La tensione (V) ai capi del sensore viene misurata dall'ADC (Figura 3).
Finché non si verificano variazioni di capacità dovute al tocco sul sensore, questa tensione rimane relativamente costante nelle successive iterazioni della misurazione della carica.
Legenda:
1. Sorgente di corrente CTMU inattiva
2. Conversione analogico-digitale (ADC) eseguita
3. Circuito di rilevamento capacitivo scaricato
4. Sorgente di corrente CTMU attiva
In combinazione con un ADC multicanale, la disponibilità di una sorgente di corrente costante nell'unità periferica CTMU fornisce un'efficace piattaforma di interfaccia per il sensore tattile capacitivo. L'unità periferica CTMU si collega direttamente all'ingresso dell'ADC, consentendo il collegamento a qualsiasi pin tramite il multiplexer analogico. Con questa configurazione, una singola unità periferica CTMU può misurare un numero di sensori pari al numero di canali dell'ADC. La
calibrazione per contrastare le interferenze esterne e le perdite di trasmissione è facilitata dai bit di regolazione associati alla sorgente di corrente.
**Il CVD per il rilevamento tattile capacitivo**
Confrontando il condensatore a valore fisso e noto del circuito sample-and-hold (S/H) con il sensore capacitivo a valore variabile e sconosciuto, il metodo del divisore di tensione capacitivo (CVD) utilizza solo l'ADC per eseguire una misurazione basata sulla tensione.
Il CVD è realizzato in modo identico a un sensore tipico: una superficie di rame su un circuito stampato o un substrato conduttivo simile per il rilevamento, collegata direttamente a un canale ADC. Il resto del processo viene completato specificamente attraverso la configurazione precisa dell'ADC e degli I/O.
I principi di base per l'utilizzo del CVD sono:
Un canale dell'ADC carica il condensatore interno del circuito di campionamento e mantenimento dell'ADC a VDD.
Il canale del sensore viene quindi messo a massa per portarlo in uno stato noto (Figura 4).
Dopo la messa a massa, il sensore deve tornare a essere un ingresso.
Una volta che diventa un ingresso, il canale dell'ADC viene immediatamente collegato al sensore.
Si crea un partitore di tensione poiché il condensatore del sensore è in parallelo con il condensatore di campionamento e mantenimento, CHOLD. Di conseguenza, le tensioni ai capi del condensatore del sensore sono uguali a quelle ai capi del condensatore di campionamento e mantenimento. L'ADC deve essere campionato e la lettura rappresenta un rapporto tra le capacità. Quando un dito tocca il sensore, la sua capacità aumenta; la tensione ai capi del sensore diminuisce e anche le letture dell'ADC aumentano.
Per il rilevamento tattile capacitivo non è necessaria una lettura assoluta della capacità, poiché tutte le decisioni di decodifica sono correlate a valori di riferimento.
Sviluppo del firmware per eliminare le interferenze esterne:
le fluttuazioni dinamiche della capacità sono causate da fattori quali umidità, calore, pressione di contatto, contaminanti sui sensori e interferenze EMI/EMC, che influenzano la funzionalità dei sensori tattili del sistema. Per contrastare questi fattori e rafforzare il sistema, è possibile utilizzare un firmware che abiliti il rilevamento dinamico della media, la funzionalità anti-rimbalzo e la variazione dinamica del livello di trigger.
Per contrastare il rumore residuo nel sensore, è necessario integrare un software di filtraggio; ciò consente al firmware di distinguere tra una condizione di sensore attivo e una inattiva. L'algoritmo può essere progettato per rilevare più contatti tattili e distinguere tra contatti desiderati e indesiderati. Il software può quindi essere calibrato per rilevare un contatto tattile anche in presenza di un rivestimento spesso sullo strato tattile capacitivo.
Progetto di riferimento per applicazioni di rilevamento tattile capacitivo
La Figura 5 aiuterà l'utente ad avviare immediatamente l'implementazione di un sistema di rilevamento tattile capacitivo. Questo approccio offre grande flessibilità per l'integrazione di altre periferiche, come USB e LCD, nel progetto. Ciò può anche contribuire a ridurre i tempi di consegna del sistema di rilevamento tattile in uno stato completamente funzionante. Il microcontrollore utilizzato nel progetto di riferimento dispone di 13 canali ADC per il collegamento a un massimo di 13 sensori. Quattro sensori tattili capacitivi sono stati collegati alle porte A0-A3. Il modulo CTMU dispone di una sorgente di corrente programmabile utilizzata per caricare i sensori tattili capacitivi. La presa USB viene utilizzata anche come fonte di alimentazione tramite bus, utilizzando un'interfaccia USB on-chip. Il firmware può anche fornire informazioni visualizzando lo stato del sensore tattile sul modulo LCD tramite i pin della porta D quando il sensore viene toccato. È inoltre presente un connettore maschio a 6 pin per collegare il pannello di riferimento a un programmatore hardware
Fattori che contribuiscono alla progettazione di sensori tattili capacitivi efficaci*
Le applicazioni in tempo reale presentano una serie di sfide per i sensori tattili capacitivi. La progettazione può contribuire a ridurre le capacità parassite e ad aumentare la capacità del dito, garantendo in definitiva una migliore progettazione del sensore, come descritto in dettaglio di seguito:
Dimensioni del substrato del sensore. La forma del substrato del sensore non è importante per un sensore capacitivo, ma l'area del substrato ne determina la sensibilità e pertanto merita di essere considerata. Maggiore è la dimensione del substrato, migliore è la sensibilità; l'area dovrebbe essere circa la dimensione media di un polpastrello (15 x 15 mm). Tuttavia, se la dimensione del substrato del sensore è maggiore di quella ottimale, la capacità parassita può aumentare a causa della sua vicinanza alla massa.
Distanza tra i sensori. Quando si tocca un sensore, il dito introduce una capacità aggiuntiva, non solo nel sensore attivato ma anche nei sensori adiacenti. Pertanto, per isolare la capacità del dito, è necessario mantenere uno spazio tra i sensori adiacenti. La distanza ideale è da 2 a 3 volte lo spessore del materiale di rivestimento del sistema di rilevamento tattile capacitivo. Ad esempio, se lo spessore del rivestimento è di 3 mm, la distanza tra i sensori dovrebbe essere da 6 a 9 mm per un design efficace del rilevamento tattile capacitivo.
Lunghezza della traccia sul circuito stampato. La lunghezza della traccia tra il sensore e il microcontrollore può aumentare la suscettibilità alle capacità parassite se è eccessivamente lunga. Ciò potrebbe modificare la resistenza della traccia e influire sulla sensibilità. La lunghezza della traccia non deve superare i 300 mm (12 pollici).
Composizione e spessore del rivestimento: la capacità di un dito trasmessa al sensore tattile capacitivo è determinata dal tipo di materiale di rivestimento utilizzato e dal suo spessore. Il materiale di rivestimento dovrebbe avere un'elevata costante dielettrica per aumentare la sensibilità ed essere il più sottile possibile. Se lo spessore del rivestimento aumenta, aumenta anche la diafonia tra i sensori.
Tecniche di messa a terra: il metodo di rilevamento è influenzato dalla capacità parassita di un sensore verso terra; questo può essere contrastato posizionando la terra molto vicino al sensore. Ciò aumenta la capacità parassita e ne riduce l'effetto sul sensore.
Scelta dell'adesivo: l'adesivo lega il materiale di rivestimento al circuito stampato e deve essere applicato in uno strato sottile per ottenere un'elevata sensibilità. Deve essere privo di bolle d'aria e tutte le istruzioni di applicazione devono essere consultate prima dell'applicazione.
Abstract:
Grazie alla diminuzione dei costi della tecnologia dei sensori tattili, questa rappresenta ora una soluzione ideale sia per i prodotti industriali che per quelli di consumo. Il principale vantaggio rispetto ai tradizionali interruttori meccanici è che i sensori tattili capacitivi non si usurano nel tempo. Utilizzando una periferica CTMU con un microcontrollore integrato o la tecnologia CVD, i progettisti possono sviluppare interfacce con sensori tattili capacitivi a basso costo e con un numero minimo di componenti.
Per ulteriori informazioni, visita il sito http://www.microchip.com/mtouch.
Riferimenti
1. Manuale di riferimento della famiglia PIC24F, Sez. 11 Unità di misurazione del tempo di carica (CTMU), DS39724B, © 2010 Microchip Technology Inc.
2. Note applicative Microchip:
AN1101, Introduzione al rilevamento capacitivo di Tom Perme, © 2007 2010 Microchip Technology Inc.
AN1334, Tecniche per la progettazione di sensori tattili robusti di Burke Davison, © AN1250
, CTMU Microchip per applicazioni tattili capacitive di Bruce Bohn, © 2009 Microchip Technology Inc.
AN1298, Tocco capacitivo utilizzando solo un ADC [CVD] di Tom Perme, © 2009 Microchip Technology Inc.an ADC [CVD] (Detección táctil capaci
Autore:
A cura di: Nithin Kumar Mada - Ingegnere applicativo senior
Harsha Jagadish - Ingegnere applicativo
Divisione Architettura Microcontrollori Avanzati - Microchip Technology Inc.
