В этой статье описывается, как с помощью технологии, включающей делитель напряжения с емкостной характеристикой (CVD) и периферийный микроконтроллер, называемый блоком измерения времени заряда (CTMU), можно создавать недорогие емкостные сенсорные датчики с минимальным количеством внешних компонентов. В заключение будет представлен типовой проект, демонстрирующий замену механических переключателей емкостными сенсорными клавишами.
Технология емкостных сенсорных датчиков.
Емкостные сенсорные колесики прокрутки становятся все более распространенными в электронных устройствах по сравнению с другими технологиями сенсорного управления.
Принцип работы емкостного сенсорного датчика:
Если палец — или любой другой объект с емкостными свойствами — достаточно приблизится к емкостному сенсорному датчику, датчик будет действовать как дополнительный конденсатор. Это происходит из-за диэлектрической природы датчика, которая изменяет эффективную емкость системы, используемой для обнаружения прикосновения.
На рисунке 1 показано, как параллельная пластина подключена к входу микросхемы датчика, в то время как палец действует как еще одна параллельная пластина. Железо в крови образует пучки конденсаторов, выровненные по поверхности тела. Когда эти пучки приближаются к проводнику, они создают заземленную емкость, что приводит к изменению напряжения, определяемому контактом пальца.
Стандартная система обнаружения прикосновения состоит из трех основных функциональных блоков:
Аналоговый блок для емкостного детектирования.
Контроллер для обработки данных.
Интерфейсный блок для связи с главным процессором.
Эффективная реализация решений для емкостного сенсорного обнаружения на основе изменения напряжения может осуществляться с использованием методов, включающих следующие компоненты:
- Блок измерения времени зарядки периферийных устройств (CTMU), интегрированный в микроконтроллер.
- Емкостной делитель напряжения (CVD), использующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), для работы которого не требуется отдельное периферийное устройство для измерения емкости.
* Эффективное применение емкостного сенсорного управления с помощью периферийного устройства CTMU.
Периферийное устройство CTMU работает совместно с АЦП, образуя гибкий аналоговый модуль для точного измерения емкости. Как показано на рисунке 2, оно содержит источник постоянного тока, подключенный к каналу АЦП. Емкость изменяется, и разница во времени между событиями вычисляется устройством CTMU с использованием источника постоянного тока.
Время отклика CTMU будет быстрее, чем у CVD, поскольку его источник тока имеет несколько 
выбираемых диапазонов. Время отклика емкостной сенсорной системы улучшается за счет более быстрой зарядки аналоговых каналов.
Использование периферийного устройства CTMU для обнаружения емкостного касания суммируется в следующем уравнении:
I x T = C x V
Где
I — постоянный ток, подаваемый источником CTMU.
T — фиксированное время, в течение которого CTMU заряжает емкостной сенсорный датчик.
C — емкость емкостного сенсорного датчика.
V — напряжение емкостного сенсорного датчика, считываемое АЦП.
Относительное изменение емкости можно обнаружить, наблюдая изменение напряжения при корректировке уравнения:
C = (I x T) / V
Данное уравнение наглядно демонстрирует различные этапы тактильного обнаружения контакта, а именно:
Емкостной сенсорный датчик функционирует как конденсатор и подключен к мультиплексированному каналу с периферийным модулем CTMU и АЦП.
Сенсорный датчик первоначально заряжается от источника постоянного тока в течение заданного времени (T). Напряжение (V) на датчике измеряется АЦП (рисунок 3).
До тех пор, пока не происходит изменений емкости из-за прикосновения к датчику, это напряжение остается относительно постоянным в последовательных итерациях измерения заряда.
Обозначения:
1. Источник тока CTMU неактивен
2. Выполнено аналого-цифровое преобразование (АЦП)
3. Схема емкостного датчика разряжена
4. Источник тока CTMU активен
В сочетании с многоканальным АЦП наличие источника постоянного тока в периферийном модуле CTMU обеспечивает эффективную интерфейсную платформу для емкостного сенсорного датчика. Периферийный модуль CTMU подключается непосредственно к входу АЦП, что позволяет подключать его к любому выводу через аналоговый мультиплексор. При такой конфигурации один периферийный модуль CTMU может измерять количество датчиков, равное количеству каналов АЦП.
Калибровка для компенсации внешних помех и потерь при передаче упрощается за счет регулировочных битов, связанных с источником тока.
**Метод емкостного делителя напряжения (CVD) для емкостного сенсорного управления**
Метод емкостного делителя напряжения (CVD) использует только АЦП для измерения напряжения, сравнивая фиксированный конденсатор известного значения в схеме выборки и хранения (S/H) с переменным емкостным датчиком неизвестного значения. CVD
изготавливается аналогично обычному датчику: медная поверхность на печатной плате или аналогичной проводящей подложке для измерения, напрямую соединенная с каналом АЦП. Остальная часть процесса выполняется за счет точной конфигурации АЦП и ввода/вывода.
Основные принципы использования CVD:
Один из каналов АЦП заряжает внутренний конденсатор схемы выборки и хранения АЦП до напряжения VDD.
Затем канал датчика заземляется, чтобы привести его в известное состояние (рис. 4).
После заземления датчик должен снова стать входным.
Как только он становится входным, канал АЦП немедленно подключается к датчику.
Делитель напряжения создается за счет параллельного соединения конденсатора датчика и конденсатора хранения (CHOLD). В результате напряжения на конденсаторе датчика совпадают с напряжениями на конденсаторе хранения. Производится выборка показаний АЦП, и полученное значение представляет собой отношение значений емкости конденсаторов. Когда палец касается датчика, его емкость увеличивается; напряжение на датчике уменьшается, а показания АЦП также увеличиваются.
Для определения емкостного касания абсолютное значение емкости не требуется, поскольку все решения по декодированию принимаются на основе эталонных значений.
Разработка встроенного программного обеспечения для устранения внешних помех:
Динамические колебания емкости вызваны такими факторами, как влажность, тепло, контактное давление, загрязнения на датчиках и электромагнитные помехи (ЭМП), которые влияют на функциональность сенсорных датчиков системы. Для противодействия этим факторам и повышения эффективности системы можно использовать встроенное программное обеспечение, обеспечивающее динамическое усреднение, защиту от дребезга контактов и динамическое изменение уровня срабатывания.
Для борьбы с остаточным шумом в датчике необходимо использовать программное обеспечение для фильтрации; это позволяет встроенному программному обеспечению различать активированное и неактивное состояние датчика. Алгоритм может быть разработан для обнаружения нескольких касаний и различения желаемых и нежелаемых контактов. Затем программное обеспечение может быть откалибровано для обнаружения касания даже при наличии толстого покрытия на емкостном сенсорном слое.
Эталонный проект для приложений с емкостным сенсорным управлением
Рисунок 5 поможет пользователю немедленно приступить к реализации системы емкостного сенсорного управления. Такой подход обеспечивает большую гибкость для интеграции других периферийных устройств, таких как USB и ЖК-дисплей, в конструкцию. Это также может помочь сократить время, необходимое для создания полностью функциональной системы сенсорного управления. Микроконтроллер, используемый в эталонной конструкции, имеет 13 каналов АЦП для подключения до 13 датчиков. Четыре емкостных сенсорных датчика подключены к портам A0–A3. Модуль CTMU имеет программируемый источник тока, используемый для зарядки емкостных сенсорных датчиков. Разъем USB также используется в качестве источника питания от шины, используя встроенный интерфейс USB. Прошивка также может предоставлять информацию, отображая соответствующее состояние сенсорного датчика на ЖК-модуле через контакты порта D при касании датчика. Также предусмотрен 6-контактный штекер для подключения эталонной панели к аппаратному программатору
Факторы, влияющие на разработку эффективных емкостных сенсорных датчиков*
Приложения реального времени представляют ряд проблем для емкостных сенсорных датчиков. Разработка может помочь уменьшить паразитные емкости и увеличить емкость пальца, что в конечном итоге обеспечит более качественную конструкцию датчика, как подробно описано ниже:
Размер подложки датчика. Форма подложки датчика не важна для емкостного датчика, но площадь подложки определяет его чувствительность и, следовательно, заслуживает внимания. Чем больше подложка, тем лучше чувствительность; площадь должна быть примерно среднего размера кончика пальца (15 x 15 мм). Однако, если размер подложки датчика больше оптимального, паразитная емкость может увеличиться из-за близости к заземлению.
Расстояние между датчиками. При касании датчика палец вносит дополнительную емкость не только в активированный датчик, но и в соседние датчики. Поэтому для изоляции емкости пальца необходимо поддерживать зазор между соседними датчиками. Идеальное расстояние составляет от 2 до 3 раз толщину покрытия системы емкостного сенсорного управления. Например, если толщина покрытия составляет 3 мм, расстояние между датчиками должно составлять от 6 до 9 мм для эффективной конструкции емкостного сенсорного датчика.
Длина дорожек печатной платы. Слишком большая длина дорожек между датчиком и микроконтроллером может привести к повышенной восприимчивости к паразитным емкостям. Это может изменить сопротивление дорожек и повлиять на чувствительность. Длина дорожек не должна превышать 12 дюймов (300 мм).
Состав и толщина покрытия: Емкость, передаваемая от пальца к емкостному сенсорному датчику, определяется типом используемого покрытия и его толщиной. Покрытие должно иметь высокую диэлектрическую постоянную для повышения чувствительности и быть как можно тоньше. При увеличении толщины покрытия увеличивается и перекрестное влияние между датчиками.
Методы заземления: На метод обнаружения влияет паразитная емкость датчика относительно земли; этому можно противодействовать, разместив заземление очень близко к датчику. Это увеличивает паразитную емкость и уменьшает ее влияние на датчик.
Выбор клея: Клей обеспечивает сцепление покрытия с печатной платой и должен наноситься тонким слоем для достижения высокой чувствительности. Он должен быть без пузырьков воздуха, и перед нанесением следует ознакомиться со всеми инструкциями по применению.
Аннотация:
Благодаря снижению стоимости сенсорных технологий, они стали идеальным вариантом как для промышленного, так и для потребительского применения. Главное преимущество перед традиционными механическими переключателями заключается в том, что емкостные сенсорные датчики не изнашиваются в течение длительного времени. Используя периферийное устройство CTMU с встроенным микроконтроллером или технологию CVD, разработчики могут создавать интерфейсы с емкостными сенсорными датчиками с низкими затратами и минимальным количеством компонентов.
Для получения дополнительной информации посетите сайт http://www.microchip.com/mtouch.
Ссылки
: 1. Справочное руководство по семейству PIC24F, Раздел 11. Блок измерения времени зарядки (CTMU), DS39724B, © 2010 Microchip Technology Inc.
2. Примечания по применению Microchip:
AN1101, Введение в емкостное сенсорное управление , Том Перме, © 2007 2010 Microchip Technology Inc.
AN1334, Методы проектирования надежных сенсорных систем , Берк Дэвисон, © AN1250
, Microchip CTMU для емкостных сенсорных приложений, Брюс Бон, © 2009 Microchip Technology Inc.
AN1298, Емкостное сенсорное управление с использованием только АЦП [CVD], Том Перме, © 2009 Microchip Technology Inc.an ADC [CVD] (Detección táctil capaci
Автор:
Авторы: Нитин Кумар Мада — старший инженер по применению;
Харша Джагадиш — инженер по применению,
подразделение передовой архитектуры микроконтроллеров, Microchip Technology Inc.
