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電容式觸摸測試MCU靈活性

電容觸摸技術(shù)被應(yīng)用在廣泛的電子產(chǎn)品從智能手機，冰箱和汽車。在許多應(yīng)用中，電容式觸摸傳感器提供輸入到一個專用的控制器芯片。微控制器直接參與當(dāng)控制器集成為一個外圍設(shè)備的MCU模具。

不管在MCU是否具有傳感器/控制器電路集成在芯片上，或者如果觸摸傳感器信息是在一個專用設(shè)備，MCU必須處理，以達到令人滿意的用戶體驗的若干由電容觸摸輸入創(chuàng)建的問題。這些包括延遲(用于用戶及時響應(yīng))，準確性及能源消耗。能耗是特別重要的電池供電設(shè)備。

MCU供應(yīng)商都提供了各種各樣的電容式觸摸解決方案，從專用外設(shè)與電容式觸摸傳感器的電池供電應(yīng)用的超低功耗接口。在回顧的解決方案，然而，電容式觸摸技術(shù)快速審查應(yīng)該是有幫助的。

電容式觸摸基礎(chǔ)知識

一般目前特殊設(shè)計的問題和電​​容式觸摸傳感器傳感器并沒有什么不同。多的復(fù)雜性是由于這樣的事實，即傳感器的電場的分布特性使它們的行為“集總元件”近似不準確和誤導(dǎo)。為了解決這些問題，半導(dǎo)體公司已經(jīng)出版了許多應(yīng)用筆記，基本上提供規(guī)則 - 如果遵循 - 將導(dǎo)致一個成功的設(shè)計。本文將針對基本的考慮;了解一些基礎(chǔ)知識是必不可少的得到正確的方向開始的設(shè)計。

電容式觸摸傳感器都可以使用簡單的空間參數(shù)進行大致分類：

零維傳感器單點聯(lián)系的回應(yīng)。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的移動沿單一，線性軸?；瑝K和滑輪是最流行的實現(xiàn)。

二維傳感器可以檢測手指的運動沿兩個軸。觸摸屏和觸摸板都是很好的例子。

該技術(shù)是復(fù)雜得多，但是，一如既往，在設(shè)計最終用戶系統(tǒng)中的第一個重要步驟是選擇對應(yīng)于應(yīng)用程序的傳感器類型。

最基本的電容式觸控技術(shù)，一維和二維傳感器依賴于表面電容。所述面板的一側(cè)被涂覆有導(dǎo)電材料，而另一側(cè)是絕緣材料。一個小的電壓被施加到導(dǎo)電層以創(chuàng)建弱電場。當(dāng)導(dǎo)電手指或觸筆觸摸表面，電容器瞬間產(chǎn)生，這改變了電場。

該傳感器的控制器可以間接通過測量從四個角面板的電容的變化計算觸摸的位置。的電容變化較大，越接近觸摸是那個角落。表面電容技術(shù)具有相當(dāng)分辨率低且受引起的電容耦合的誤差。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

投射電容式觸摸(PCT)技術(shù)更準確，靈活的比使用表面電容。該導(dǎo)電層被蝕刻在X-Y柵格。有兩種類型的PCT傳感器技術(shù)：自電容和互電容。

在自電容感測，在XY網(wǎng)格的行和列獨立操作。位置由一個手指上的每個列或行的容性負載的相對位置來確定。創(chuàng)建一個強信號，但自電容感測不能準確地解析多于一個手指，這可能會導(dǎo)致“鬼影”或放錯位置的位置感測。

互電容式傳感器具有一個電容器在每行和每列的交叉點。當(dāng)將電壓施加到行或列，甚至使手指或?qū)щ娪|針的傳感器的表面附近改變局部電場，降低了互電容。觸摸位置可以非常精確地通過測量電容變化在網(wǎng)格上的每個單獨的點來確定?；ル娙葜С侄帱c觸控操作，這意味著，多個手指的位置可以準確地跟蹤在同一時間。

PCT是銷售點的需要，記錄簽名能力的設(shè)備一個受歡迎的傳感選項。然而，PCT性能可以負面在面板表面導(dǎo)電污跡的影響。塵埃附著在面板也可以是一個問題。

MCU供應(yīng)商設(shè)計產(chǎn)品系列正是為了處理傳感器的剛剛討論的類型。愛特梅爾，例如，開發(fā)的傳感器控制器系列的按鈕，滑塊和滑輪。該產(chǎn)品可作為無論是IP集成在Atmel的AVR或使用該公司的QTouch軟件庫Atmel基于ARM的MCU內(nèi)核的一個或作為特定應(yīng)用的設(shè)備。 QTouch軟件家族用于與自電容傳感器的設(shè)計。其QMatrix感應(yīng)控制器用于與互電容傳感器。愛特梅爾使得可舉家評估板。

德州儀器MSP430超值系列G2xx2 / 3 MCU的某些配置是專為電容式觸摸應(yīng)用而設(shè)計的。這些MCU包括電容式觸摸感應(yīng)IO的，使開發(fā)人員能夠使用，無需外部元件電容觸摸板直接連接。對于更復(fù)雜的應(yīng)用，公司的MSP430F51x2設(shè)備，如MSP430F5152IDAR，包括，提供4納秒的分辨率，它能使高精度觸摸感測了高性能的計時器。

許多IC公司具有電容式觸摸產(chǎn)品線。它們包括但不限于愛特梅爾，Cypress半導(dǎo)體公司，飛思卡爾半導(dǎo)體，Microchip的技術(shù)，恩智浦半導(dǎo)體，Silicon Labs公司和德州儀器。

設(shè)計注意事項

電容式觸摸應(yīng)用程序要求設(shè)計師要考慮的不僅僅是MCU。功率消耗是重要的，電池供電的設(shè)計，并經(jīng)過多按鈕被按下的時刻，并從系統(tǒng)的反應(yīng)之間(等待時間)的時間也是非常重要的。

其他因素也必須在光應(yīng)用程序的情況下使用的考慮。這包括環(huán)境光線的靈敏度(屏幕眩光)，成本，耐久性和最小/最大尺寸。所有這些標準的探索已經(jīng)超出了本文的范圍，但是2014年的分析由明尼蘇達州立大學(xué)出版的論文集ASEE(ASSE-NWMSC2014-1C1)包括一個表(圖1)，應(yīng)該是設(shè)計師的幫助。電阻式觸摸技術(shù)也被包括在分析中，因為它仍然是在廣泛使用，雖然一般不作為能夠作為電容性觸摸。這些技術(shù)都排的規(guī)模為0至5，用5是“最好的”和0是“最差”的表現(xiàn)。 PCT擁有最好的收視率，但整體表面電容技術(shù)，應(yīng)考慮對成本敏感的應(yīng)用和產(chǎn)品，更大的屏幕。

圖1：三種流行的觸控技術(shù)比較功能。 (明尼蘇達州立大學(xué)提供)

能源消耗

或缺乏互動 - - 傳感器和MCU之間當(dāng)連接一個MCU外部傳感器，顯著能量可以基本上由所述相互作用浪費。諷刺的是，這個問題涉及有關(guān)，因為目前大多數(shù)微控制器具有多種低功耗工作模式從“待機”，以“深度睡眠。”每一步深入到低功耗操作通常伴隨著更多的開銷喚醒所需的時間從功率模式。

當(dāng)與觸摸傳感器輸入處理，一個主要目標是實現(xiàn)及時的響應(yīng)，但是這可能是不可能的，在較低的睡眠模式。該問題會更加嚴重，如果MCU有醒來常常以實現(xiàn)及時的響應(yīng)，它實際上開始消耗更多的功率，這將在一個較高的活動狀態(tài)。

Silicon Labs的方法來節(jié)約能源是它的低能量傳感器接口(LESENSE)，它的設(shè)計以應(yīng)對傳感器輸入而MCU仍處于深度睡眠模式。 LESENSE被集成到該公司的EFM32系列32位基于ARM的微控制器。在電池供電的觸控應(yīng)用，小壁虎家族往往提供了最好的選擇。

LESENSE電路包括模擬比較器，一個DAC，并在32 kHz的頻率運行的音序器模塊。該引腳連接到比較和是否DAC的定序的控制被用來提供更精確的比較器的參考。比較器輸出可以被計算和組合，使得CPU醒僅發(fā)生一組預(yù)定的條件下，觸摸屏的諸如兩個抽頭內(nèi)的某個時間窗口。這一切都是可能的，而MCU保持在深度睡眠模式。

LESENSE獨立于MCU的工作，因為它配置與其他外設(shè)的工作，特別是公司的外設(shè)反射系統(tǒng)(PRS)。這使得設(shè)計人員能夠創(chuàng)建狀態(tài)機結(jié)構(gòu)監(jiān)控外部事件而無需CPU干預(yù)。

在電容性感測，它幾乎總是測量電容的變化是不是進行的絕對測量更加重要的情況下。設(shè)計師通常通過定位之間的檢測引腳接地引腳電容為RC振蕩電路的一部分，監(jiān)測這些變化。在該結(jié)構(gòu)中，振蕩頻率取決于電容存在于檢測引腳。其結(jié)果是，觸摸開關(guān)可以簡單地通過直接連接檢測引腳到觸摸板來實現(xiàn)。不需要其他外部元件。

該狀態(tài)機的操作的簡便性示于圖2中的圖的上，下兩部分之間​​的差別是，不同的模擬輸入產(chǎn)生在LESENSE狀態(tài)機不同的結(jié)果，并且，反過來，葉中的MCU睡眠模式(上)或喚醒它(下)。

Silicon Labs公司LESENSE和PRS的圖像

圖2：電容觸摸傳感使用LESENSE和PRS一個簡單的觸摸開關(guān)。 (Silicon Labs公司提供)

結(jié)論

觸摸感應(yīng)輸入已經(jīng)成為一種主流技術(shù)在廣泛的從簡單的按鈕，智能手機和平板電腦的應(yīng)用范圍。電容式觸摸已成為由于其精度，耐用性和其他性能特性的主導(dǎo)技術(shù)。在許多應(yīng)用中，一個MCU接口與容性觸摸傳感器，這往往挑戰(zhàn)設(shè)計者提供及時響應(yīng)人機接口和有效地管理能量消耗。有沒有一個放之四海而皆準的所有電容式觸摸應(yīng)用的解決方案，但MCU供應(yīng)商已經(jīng)提供了一系列解決方案，一個是一定要適合任何應(yīng)用程序。