技術背景
現在電子產品中,觸摸感應技術日益受到更多關注和應用,不僅美觀耐用,而且較傳統機械按鍵具有更大的靈敏度、穩定性、可靠性,同時可以大幅提高產品的品質。觸摸感應解決方案受到越來越多的IC設計廠家的關注,不斷有新的技術和IC面世,國內的公司也紛紛上馬類似方案。Cpress公司的CapSense?技術可以說是感應技術的先驅,走在了這一領域的前列,在高端產品中有廣泛應用,MCP推出了mTouch?,AT也推出了QTouch?技術,FSL推出的電場感應技術與MCP的電感觸摸也別具特色,甚至ST也有QST產品。
但是目前所有的觸摸解決方案都使用專用IC,因而開發成本高,難度大,而本文介紹的基于RC充電檢測(RC Acquisition)的方案可以在任何MCU上實現,是觸摸感應技術領域革命性的突破。首先介紹了RC充電基礎原理,以及充電時間的測試及改進方法,然后詳細討論了基于STM8S單片機實現的硬件、軟件設計步驟,注意要點等。
一、RC充電檢測基本原理
RC充電檢測基本原理是對使用如PCB的電極式電容的充電放電時間進行測量,通過比較在人體接觸時產生的微小變化來檢測是否有‘按下’動作產生,可選用于任何單獨或多按鍵、滾輪、滑條。
如圖1(a)所示,在RC網絡施加周期性充電電壓Vin,測量Vout會得到如(b)的時序,通過檢測充電開始到Vout到達某一門限值的時間tc的變化,就可以判斷出是否有人體接觸。圖2顯示出有人體接觸時充電時間會變長。
實現電路如圖3,使用一個I/O口對PCB構成的電容充電,另一個I/O口測量電壓,對于多個按鍵時使用同一個I/O口充電。R1通常為幾百K到幾M,人體與PCB構成的電極電容一般只有幾個pF,R2用于降低噪聲干擾,通常為10K。
二、充電時間測量方法
對充電時間的測量可以使用MCU中定時器的捕捉功能,對于多個按鍵一般MCU沒有足夠的定時器為每個按鍵分配一個,也可以使用軟件計時的方法,這要求能對MCU的時鐘精確計數,并且保證每個周期的時鐘個數保持一定。這種情況通常要求對按鍵使用一個獨立的MCU,以保證不被其他任務中斷。
為了提高系統的可靠性和穩定性,改進的測量方法是對Vout進行高和低兩個門限進行測量。如圖4所示,通過對t1和t2的測量,從而達到更可靠的效果。另外,多次測量也是有效的降低高頻干擾的有效方法。
實際應用中可以使用數字信號的方式直接測量t1和t2,因為數字信號的‘1’和‘0’也都有最高與最低輸入門限。使用軟件查詢方式測量,通過固定頻率檢測輸入腳,其中‘0’的個數就是t1,‘1’的個數就是t2,實際上就是輸入信號上升到VIHmin和下降到VILmax的時間。
三、PCB設計注意事項
不論是單按鍵、多按鍵、滑條、滾輪設計,還是混合應用,都可以使用一個I/O進行充電,即可減少資源應用,又可以因使用同一定時標準從而簡化軟件設計。
用于傳遞按鍵信號的線一定要足夠的細,以降低線路造成的電容的影響,信號線間距為兩倍線寬,不同組的信號間距應保證3mm~5mm。同組的信號線長度應盡量保持一致,不同組的信號線不可以交叉。獨立按鍵的形狀可設計為、圓、三角或正多邊形,尺寸以10mm~15mm為宜。滑條的形狀可以是長方形或鋸齒形,滾輪可以設計為幅射的扇形或環形,也可以是交錯的齒輪,每個部分之間應保持0.2~0.5mm。按鍵PCB層不應該覆銅,否則會影響感覺的靈敏度,而反面可以覆銅,可以減少干擾。
按鍵除設計為單通道模式,還可以設計為多通道模式,通過對附近按鍵的感應信號強度判斷手指的位置,甚至可設計出‘連續’的滑動效果。
LED經常在感應設計中用來指示按鍵是否有效按下,注意按鍵的地或電源線就盡量短,線路較長時宜增加1nF的濾波電容。
另外,建議電源電路使用線性電源而不是開關電源,這對提高感應靈敏度很重要。
四、軟件設計流程
ST公司設計了完整的基于RC充電檢測的電容式感應觸摸方案的完整設計,包括PCB和完整的源程序,以及基于STM8S的標準觸摸感應庫(Touch Sense Library:TSL)和應用API接口,采用易于移植的C設計,用戶可以方便地應用于其他任何MCU系統中。因為RC充電理論涉及的專利已經對公眾開放,所以完全沒有專利的限制。
圖7是ST的觸摸感應設計庫TSL的架構示意。
ST的TSL內容包括濾波和校正算法,環境變化系統,自動根據環境溫度、濕度、電壓、灰塵等因素調整配置參數。提供了包括單通道和多通道的感應設計API函數,層次驅動的項目工程。基于STM8Sxxx-TS1-EVAL演示板的軟件在STVD開發平臺下設計,使用COSMIC-C語言編譯器,包括完整的源代碼,篇幅有限,不能詳述。
結論:通過實驗,我們使用STM8S的觸摸感覺按鍵與CY的CAPSENSE觸摸按鍵的效果進行了對比,結果證明二者在靈敏度與可靠性方面不相上下,在水浸、增加覆蓋物情況下,本方案適應性更佳。
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