Используем емкостную сенсорную технологию в своих устройствах

Переход от механических переключателей к емкостным сенсорным клавишам дает много преимуществ, но процесс проектирования сенсорных устройств оказывается значительно сложнее. Технология CapTIvate помогает облегчить решение этой задачи.
948
В избранное

Переход от механических переключателей к емкостным сенсорным клавишам дает много преимуществ, но процесс проектирования сенсорных устройств оказывается значительно сложнее. Технология CapTIvate помогает облегчить решение этой задачи.

Традиционные механические переключатели просты, дешевы и широко доступны. Тем не менее, они характеризуются рядом недостатков, например, механическим износом подвижных частей и контактов, а также потенциальной возможностью искрения.

Последний факт может стать серьезной проблемой для многих промышленных приложений. Например, в случае использования механических переключателей во взрывоопасных условиях приходится размещать устройства управления в герметичных металлических корпусах с толстыми стеклянными окнами для индикации выполнения функций считывания и программирования. При этом, чтобы добраться до клавиши и изменить какую-либо настройку, оператор должен вскрыть корпус. В ответственных случаях вскрытие является строго регламентированным процессом, который требуется выполнять в соответствии с протоколом вскрытия и после остановки технологического процесса.

К счастью современные технологии уже спешат на помощь! Емкостные клавиши могут работать даже при наличии толстого стекла, пластика, металла или дерева (рис. 1). Это позволяет без проблем создавать герметичные устройства, которые будут использоваться даже во влажной или загрязненной среде.

Емкостные клавиши дают много преимуществ, в том числе возможность создания полностью герметичных устройств управления

Рис. 1. Емкостные клавиши дают много преимуществ, в том числе возможность создания полностью герметичных устройств управления

Основные особенности емкостных сенсорных технологий

Емкость характеризует способность объекта накапливать электрический заряд. Любые два проводящих материала, например, провода или печатные дорожки на плате, разделенные диэлектрическим материалом, создают емкость. Приближение внешнего объекта, такого как палец, может повлиять на величину емкости. Измерение переменной емкости лежит в основе работы сенсорных емкостных клавиш, ползунков и датчиков приближения.

Существует две основных технологии емкостных клавиш (рис. 2). Системы, использующие технологию измерения полной собственной емкости (self-capacitance), измеряют абсолютную емкость электродов относительно общего потенциала земли. В данном случае первая обкладка распределенного конденсатора формируется в виде электрода на печатной плате, а в качестве другой обкладки выступает земля либо палец пользователя. Прикосновение вызывает изменение емкости, обычно на 1-10 пФ.

 Емкостные технологии с измерением собственной емкости (а) и с измерением взаимной емкости (b)

Рис. 2. Емкостные технологии с измерением собственной емкости (а) и с измерением взаимной емкости (b)

Для измерения полной собственной емкости используется один электрод, при этом его емкость определяется относительно земли. Обычное касание сенсорной клавиши пальцем добавляет от 1 до 10 пФ к измеряемой емкости. Любые паразитные емкости (относительно заземления) должны быть сведены к минимуму, поскольку они уменьшают эффект от прикосновения пользователя.

Электроды в системах с измерением полной собственной емкости формируют линии поля E во всех направлениях, как показано на рис. 2а, поэтому изменение емкости происходит при приближении объекта (в данном случае пальца) с любой стороны от электрода на печатной плате. Иногда в систему вводят экранирующие компоненты, чтобы ограничить диаграмму направленности емкостной клавиши.

Вторая технология подразумевает измерение взаимной или относительной емкости (рис. 2b). В этой технологии, в отличие от описанной выше технологии измерения абсолютной емкости, используется два электрода, которые вместе образуют обкладки конденсатора. Палец пользователя искажает поле между двумя электродами и, следовательно, уменьшает их взаимную емкость, как правило, менее чем на 1 пФ.

Линии электрического поля E связывают между собой электроды Tx и Rx, что позволяет максимально плотно располагать сенсорные клавиши. Паразитные емкости (относительно заземления) не влияют на качество измерений. Однако они выступают в качестве дополнительной нагрузки для драйверов электродов.

Таблица 1. Сравнение характеристик сенсорных технологий

Характеристика Технология  измерения собственной емкости Технология  измерения взаимной емкости
печатная плата простая более сложная
Воздушный зазор возможен невозможен
Число слоев печатной платы обычно 1 или 2 обычно 2
Количество выводов требуемое для 12 сенсорных кнопок 12 7


Практическая реализация сенсорных приложений: матрица клавиш

Чтобы создать клавиатуру с большим количеством клавиш при наличии ограниченного числа сенсорных портов ввода-вывода, необходимо использовать коммутирующую матрицу. На рис. 3 показана емкостная сенсорная матрица, образованная четырьмя строками и тремя столбцами кнопок. Таким образом, для считывания 12 сенсорных клавиш требуется всего семь портов ввода-вывода.

Электродная матрица может использоваться с любой из описанных выше емкостных технологий

Рис. 3. Электродная матрица может использоваться с любой из описанных выше емкостных технологий

При работе с матрицей сенсорных клавиш может использоваться как технология с измерением полной собственной емкости, так и технология с измерением взаимной относительной емкости. В первом случае каждый ряд и каждый столбец сканируются как независимый электрод. Состояния отдельных клавиш определяются после измерения емкостей всех элементов (столбцов и строк) и общения полученных данных. Очевидным недостатком такого подхода является невозможность распознавания одновременного нажатия нескольких клавиш.

При использовании технологии с измерением взаимной относительной емкости в качестве столбцов матрицы выступают электроды Tx, а в качестве рядов электроды Rx. Все клавиши образуются пересечением строк и столбцов и имеют уникальную комбинацию электродов Tx/ Rx с уникальной взаимной емкостью. Поскольку каждый узел имеет собственное уникальное значение емкости, независящее от состояния других клавиш, то такая система может распознавать одновременное нажатие нескольких сенсорных кнопок.

Поскольку каждое пересечение Rx/ Tx образует уникальный сенсорный узел, то управляющее устройство может поддерживать до 64 отдельных кнопок в матричной конфигурации 8 × 8. В результате для такой клавиатуры требуется всего 16 сенсорных портов ввода-вывода, которые можно без проблем развести на двухслойной печатной плате. Эквивалентная клавиатура, использующая технологию с измерением полной собственной емкости, потребовала бы 64 сенсорных портов ввода-вывода, поскольку для измерения емкости каждого электрода необходим собственный порт ввода-вывода. Наличие отдельных сенсорных клавиш также повышает надежность системы, поскольку емкость каждого узла (пересечения Rx/ Tx) сканируется отдельно, а состояния клавиш определяются независимо, в то время как в технологии с измерением полной собственной емкости состояния клавиш определяются по обобщенным данным, полученным от всех электродов.

Какая из технологий лучше? Как и следовало ожидать, у обеих технологий есть свои сильные и слабые стороны. Технология с измерением полной собственной емкости оказывается проще в реализации и требует меньшей точности. Это связано с тем, что изменение полной собственной емкости при нажатии достаточно велико и составляет от 1 до 10 пФ. В то же время для создания клавиатур потребуется большое число портов ввода вывода.

Технология с измерением взаимной относительной емкости оказывается более чувствительной к шуму, так как изменение емкости при нажатии составляет менее 1 пФ. В результате с помощью такой технологии трудно реализовать ползунки и колеса большого размера (если не разбивать их на несколько отдельных сегментов). Данная технология лучше всего подходит для создания матричных клавиатур и датчиков в приложениях, в которых требуется обеспечить небольшие размеры и высокую плотность размещения клавиш.

Упрощение проектирования с помощью технологии CapTIvate

Сенсорная технология CapTIvate от Texas Instruments позволяет использовать обе технологии опроса сенсорных клавиш: и с измерением полной собственной емкости и с измерением взаимной емкости. Это обеспечивает максимальную гибкость при проектировании.

Блок CapTIvate входит в состав периферии микроконтроллера и состоит из двух основных секций: ядра CapTIvate Technology Core и набора измерительных блоков CapTIvate (с мультиплексором портов ввода-вывода) (рис. 4). В микроконтроллерах может быть до 12 измерительных блоков, каждый из которых содержит до восьми измерительных входов.

Периферийный блок CapTIvate включает в себя как аналоговые, так и цифровые компоненты

Рис. 4. Периферийный блок CapTIvate включает в себя как аналоговые, так и цифровые компоненты

Количество измерительных блоков определяет число одновременно сканируемых устройств. Например, микроконтроллер с четырьмя измерительными блоками, каждый из которых имеет четыре вывода, может параллельно сканировать до четырех сенсорных элементов с помощью 16 входов/ выходов. Ядро CapTIvate обеспечивает возможность работы в режиме пониженного энергопотребления, поддерживает функции оптимизации электромагнитной совместимости и многое другое.

Обзор алгоритма работы CapTIvate

Периодический заряд и разряд является эффективным способом измерения неизвестной переменной емкости. В CapTIvate применяется периодическое сравнение переменной емкости электрода сенсорной клавиши с известной фиксированной емкостью. По результатам сравнения с эталоном, даже не зная его абсолютного значения переменной емкости, можно определить, изменилось ли ее величина (скажем, из-за касания).

Процесс измерения в CapTIvate состоит из двух фаз: фазы заряда и следующей за ней фазой переноса. При этом алгоритм работы немного отличается в зависимости от того, используется ли технология с измерением полной собственной емкости или технология с измерением взаимной емкости. На рис. 5 показаны варианты реализации.

Вне зависимости от выбранной технологии, процесс измерения состоит из двух фаз: фазы заряда и, следующей за ней, фазой переноса

Рис. 5. Вне зависимости от выбранной технологии, процесс измерения состоит из двух фаз: фазы заряда и, следующей за ней, фазой переноса

При использовании технологии измерения полной собственной емкости заряд передается между тремя конденсаторами в три этапа, как показано на рис. 5а:

  1. Фаза заряда. Конденсатор Vreg (рекомендуемое значение 1 мкФ) заряжает внешнюю неизвестную переменную емкость через ключ S2.
  2. Фаза переноса. Ключ S2 размыкается, а ключ S1 замыкается. Заряд от внешней емкости передается на внутренний эталонный конденсатор через S1b. Во время фазы переноса конденсатор Vreg перезаряжается с помощью LDO-стабилизатора через S1a.
  3. Фазы заряда и переноса повторяются до тех пор, пока не произойдет касание сенсорной клавиши и напряжение на внутреннем эталонном конденсаторе не изменится на требуемую величину.

При использовании технологии с измерением взаимной емкости в фазе заряда специальный драйвер управляет узлом Rx, в то время как узел Tx подтягивается к земле (Рис. 5b). В фазе переноса узел Tx подтягивается к Vreg, и заряд переносится на эталонный конденсатор.

Обзор семейства микроконтроллеров MSP430 CapTIvate

Периферийные блоки CapTIvate входят в состав нескольких микроконтроллеров из семейства MSP430 от TI. Номенклатура MSP430 объединяет множество представителей с различными наборами периферийных устройств и предназначенных для различных приложений, в том числе микроконтроллеры общего назначения, микроконтроллеры для умных счетчиков и микроконтроллеры для сенсорных приложений. Оптимизированная архитектура MSP430 в сочетании с расширенными режимами энергосбережения обеспечивает максимальный срок службы батарей в портативных измерительных приложениях.

Микроконтроллеры MSP430 построены на базе 16-битного RISC-процессора с 16-битными регистрами и генераторами констант, что обеспечивает максимальную эффективность кода. Генератор с цифровым управлением (digitally controlled oscillator, DCO) позволяет контроллеру переходить из режима ожидания с низким энергопотреблением в активный режим менее чем за 10 мкс (типовое значение). MSP430 используют сегнетоэлектрическую оперативную память (FRAM), которая представляет собой энергонезависимую память, сочетающую быструю запись с очень низким энергопотреблением.

Существует два поколения микроконтроллеров MSP430 CapTIvate: микроконтроллеры первого поколения MSP430FR25xx и микроконтроллеры второго поколения MSP430FR26xx. Оба поколения позволяют использовать как технологию с измерением полной собственной емкости, так и технологию с измерением взаимной емкости. Эти микроконтроллеры имеют встроенный аппаратный автомат состояний, позволяющий автоматизировать и ускорить процесс измерения емкости. Микроконтроллеры второго поколения имеют лучшее соотношение сигнал/шум (SNR) и повышенную устойчивость к кондуктивным помехам. В таблице 2 сравниваются характеристики обоих поколений.

Таблица 2. Сравнение характеристик микроконтроллеров MSP430 первого и второго поколений

Параметр Первое поколение Второе поколение Преимущества второго поколения
Измерение емкости Собственная емкость и взаимная емкость Собственная емкость и взаимная емкость -
Напряжение заряда электродов Режим VREG (1,5 В) Режим VREG (1,5 В), режим DVCC (2,7...3,6 В) Улучшенное соотношение сигнал-шум и уменьшение кондуктивных помех в режиме DVCC
Общая емкость электродов 300 пФ при частоте измерений 4 МГц 300 пФ при частоте измерений 4 МГц -
Входной ток смещения нет есть Уменьшение кондуктивных помех
Управление обработкой сигнала (фильтрация, компенсация дрейaа, детекция, измерение времени)  Аппаратный автомат состояний Аппаратный автомат состояний -
Борьба с шумом (псевдослучайная перестройка рабочей частоты, передискретизация)  Программные средства Аппаратный автомат состояний Процессорное ядро не требуется для псевдослучайной перестройки рабочей частоты и передискретизации 


Число сканируемых параллельно сенсорных электродов зависит от количества измерительных блоков CapTIvate. Микроконтроллеры с большим количеством блоков имеют следующие преимущества:

  • Уменьшенное время измерения, что позволяет быстрее сканировать и быстрее реагировать на прикосновения;
  • Уменьшенная паразитная нагрузка на соседние электроды при их плотном размещении, как, например, в случае с линейными и круговыми ползунками. Снижение нагрузки позволяет улучшить линейность ползунков и повысить разрешение.

Микрконтролеры с большим количеством блоков CapTIvate обеспечивают наилучшую производительность в приложениях с ползунками (благодаря улучшенной линейности и разрешению), а также в приложениях с множеством кнопок (из-за улучшенного времени отклика). MSP430FR2633, MSP430FR2533, MSP430FR2632 и MSP430FR2532 позволяют выполнять четырехканальное параллельное сканирование, достигая максимальной линейности, высокого разрешения и минимального времени отклика.

При выборе оптимальной модели MSP430 для конкретного приложения, разработчик должен учитывать несколько факторов, в том числе:

  • Число необходимых выводов CapTIvate, определяемое количеством сенсоров;
  • Число блоков измерения CapTIvate. Здесь стоит определить – требуется ли в данном приложении параллельное сканирование;
  • Конфигурацию памяти (FRAM и SRAM), необходимую для поддержки CapTIvate и других функций.
  • Конфигурацию периферийных устройств (последовательных интерфейсов, таймеров и т. д.).
  • Корпусное исполнение микроконтроллера, габариты и количество выводов.

На рис. 6 показана блок-схема микроконтроллера MSP430FR2676 второго поколения с высокой степенью интеграции и повышенной устойчивостью к шумам, обеспечиваемой специальными аппаратными ускорителями. ROM-библиотека устройств объемом 16 кбайт включает в себя сенсорные библиотеки CapTIvate и библиотеки драйверов. Микроконтроллер MSP430FR2676 имеет FRAM объемом до 64 КБ и поставляется в 32-, 40- и 48-контактных корпусных исполнениях с общим количеством сенсорных линий до 16. Таким образом, при использовании технологии с измерением взаимной индуктивности у пользователей есть возможность опроса до 64 сенсорных клавиш.

Микроконтроллеры MSP430FR2676 имеют до 16 каналов CapTIvate

Рис. 6. Микроконтроллеры MSP430FR2676 имеют до 16 каналов CapTIvate

Процесс разработки с использованием CapTIvate

Использование емкостной технологии имеет свои особенности. Например, печатная плата с сенсорными клавишами требует большего внимания к деталям, чем плата с механическими переключателями. Кроме того, программа микроконтроллера становится гораздо сложнее.

Texas Instruments рекомендует следовать проверенному алгоритму при выполнении разработки. Этот алгоритм представляет собой пошаговую инструкцию, начиная от создания первоначальной концепции до массового производства. Процедура разработки должна включать контрольные точки, чтобы распознать потенциальные проблемы и уменьшить риск возникновения проблем в будущем.

Процесс разработки должен включать следующие этапы:

  • Изучение основных принципов работы емкостных технологий и технологии CapTIvate;
  • Определение системных требований и условий эксплуатации разрабатываемого устройства;
  • Оценка осуществимости выбранного концепта и выбор микроконтроллера;
  • Разработка аппаратной части;
  • Разработка программной части;
  • Системная интеграция, макетирование и прототипирование;
  • Проверка системы и полевые испытания;
  • Массовое производство.

Обратитесь к этому отчету, чтобы получить исчерпывающий пример процесса разработки с использованием технологий MSP430 и CapTIvate.

Инструменты разработки и отладки

Микроконтроллеры MSP430 с поддержкой емкостных сенсоров входят в состав обширной аппаратно-программной экосистемы, включающей референсные схемы, примеры кода и отладочные наборы, такие, например, как MSP-CAPT-FR2633 CapTIvate Technology Development Kit. Компания TI также предоставляет бесплатное программное обеспечение, в частности CapTIvate Design Center, которое, благодаря простому графическому интерфейсу и программному пакету MSP430Ware, помогает инженерам максимально ускорить процесс разработки. К услугам разработчиков также предлагается обширная документация, например, руководство по CapTIvate (The CapTIvate Technology Guide) включает в себя исчерпывающую информацию по данной технологии.

Существует также набор референсных решений, в том числе сенсорная клавиатура, клавиатура с защитным стеклом, датчик приближения, интерфейс динамиков с распознаванием жестов.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MSP4301103IPWR
MSP4301103IPWR
Texas Instruments
Арт.: 1490940 PDF AN RD DT
Поиск
предложений
16-bit Microcontrollers - MCU Ultra low power Micro Controller
MSP4301103IPWR
-
Поиск
предложений
MSP430A002IPM
MSP430A002IPM
Texas Instruments
Арт.: 1490942 AN RD DT
Поиск
предложений
16-Bit Ultra-Low-Power Microcontroller, 32 kB Flash, 1KB RAM, 12 bit ADC, 2 USARTs, HW multiplier 64-LQFP -40 to 85
MSP430A002IPM
-
Поиск
предложений
MSP430A064IPM
MSP430A064IPM
Texas Instruments
Арт.: 1490967 PDF AN RD DT
Поиск
предложений
16-Bit Ultra-Low-Power Microcontroller, 48 kB Flash, 2KB RAM, 12 bit ADC, 2 USARTs, HW multiplier 64-LQFP -40 to 85
MSP430A064IPM
-
Поиск
предложений
MSP-CAPT-FR2633
MSP-CAPT-FR2633
Texas Instruments
Арт.: 2011226 ИНФО PDF
Поиск
предложений
MSP CapTIvate MCU Development Kit
MSP-CAPT-FR2633
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()