在設(shè)計(jì)中嵌入電容性觸摸按鍵、滑塊和滑輪-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯在設(shè)計(jì)中嵌入電容性觸摸按鍵、滑塊和滑輪-基礎(chǔ)電子無論是移動(dòng)電話和PDA等便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品，還是汽車、廚房電器、醫(yī)療設(shè)備以及工業(yè)和商業(yè)感測(cè)應(yīng)用，基于直觀式電容性觸摸技術(shù)的解決方案都是這些領(lǐng)域的人機(jī)界面。穩(wěn)健可靠的電容性觸摸解決方案正在取代傳統(tǒng)的電阻性滑塊、機(jī)械按鍵和旋轉(zhuǎn)控制裝置。

基于電荷轉(zhuǎn)移的電容性觸摸捕獲技術(shù)

基于“電荷轉(zhuǎn)移”的電容性觸摸捕獲可采用下列兩種方法來實(shí)現(xiàn)。

種方案是將一個(gè)電容未知的感測(cè)電極充電至已知電勢(shì)。該電極通常是PCB板上的一塊銅區(qū)域。終電荷會(huì)被轉(zhuǎn)移到一個(gè)測(cè)量電路。在完成一個(gè)或多個(gè)“充電與轉(zhuǎn)移”周期后對(duì)電荷進(jìn)行測(cè)量，可以確定感測(cè)板的電容。把手指放在觸摸表面會(huì)產(chǎn)生外部電容，因而影響接觸點(diǎn)的電荷流。這就是一個(gè)觸摸操作。

第二種方案采用了一對(duì)感測(cè)電極：一個(gè)是發(fā)射電極，由邏輯脈沖電荷以間歇模式來驅(qū)動(dòng)；另一個(gè)是接收電極，經(jīng)由覆蓋板電介質(zhì)與發(fā)射極耦合。當(dāng)手指觸摸覆蓋板時(shí)，場(chǎng)耦合減小，觸摸因此被檢測(cè)到。這種驅(qū)動(dòng)、接收和處理邏輯被內(nèi)置在微控制器(MCU)中，故只需極少的外部組件。

兩種方案都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，分別適合特定的應(yīng)用。

觸摸功能

來自基于“電荷轉(zhuǎn)移”的電容性觸摸捕獲方案的觸摸功能可以分為觸摸屏、觸摸按鍵、滑塊和滑輪。

觸摸屏功能支持無限次數(shù)的觸摸，極大地改善了用戶體驗(yàn)，并改變了用戶與電子產(chǎn)品的交互方式。內(nèi)置的手勢(shì)以及能夠忽略無意識(shí)操作使得用戶界面既直觀又可靠。觸摸屏能夠識(shí)別手寫筆、指甲和手套的觸摸，為手持設(shè)備提供了簡(jiǎn)便的文本輸入方式。

觸摸按鍵、滑塊和滑輪一般適用于單個(gè)用戶觸摸，并采用算法來確定觸摸狀態(tài)和位置，它與信號(hào)強(qiáng)度無關(guān)，這一特性使得觸摸檢測(cè)可靠。觸摸按鍵、滑塊和滑輪功能可以兩種方式集成在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中：固定功能器件方案；MCU觸摸軟件庫(Touchlibrary)方案。

開發(fā)人員按不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體要求來選擇所需的觸摸功能和解決方案。

觸摸按鍵、滑塊和滑輪的典型使用環(huán)境見表1。

典型的電容性觸摸傳感器通過各個(gè)通道連接至MCU。圖3所示為使用一個(gè)通道的接近按鍵傳感器、使用一個(gè)通道的觸摸按鍵傳感器和使用一組三個(gè)通道的滑塊/滑輪傳感器。MCU端口引腳可用作觸摸傳感器通道引腳。

固定功能器件方案

目前市場(chǎng)上提供的解決方案之一是固定功能觸摸器件，所謂“固定功能”是指一組只用于處理觸摸傳感器的器件。因此，固定功能器件就是一種專用的觸摸微控制器解決方案。固定功能觸摸器件可提供單通道或多通道支持，其觸摸傳感器排列通常是按照用作按鍵、滑塊、滑輪還是這些功能的固定組合而預(yù)先配置好的。

固定功能器件一般會(huì)利用串行接口來向主微控制器更新觸摸狀態(tài)信息，該接口通常是一個(gè)I2C兼容接口?；蚴遣捎肧PI、USART和位觸發(fā)(bitbanging)等其它接口技術(shù)。固定功能器件的觸摸狀態(tài)往往包括接近按鍵或觸摸按鍵的開關(guān)(ON/OFF)狀態(tài)，滑塊的線性觸摸定位值，以及滑輪的觸摸角度定位值。

此外，固定功能觸摸器件還具有一項(xiàng)額外的功能，即器件引腳上可輸出頻閃和脈沖來顯示某種結(jié)果，而無需采用串行接口。這意味著按鍵的開關(guān)狀態(tài)或滑塊、滑輪的位置信息并非固定功能觸摸器件的輸出信息。而對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二級(jí)處理而獲得的二級(jí)數(shù)據(jù)輸出，可以滿足應(yīng)用的需求。例如，在電器的功率控制中，觸摸按鍵狀態(tài)信息可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)經(jīng)過編程的自動(dòng)關(guān)斷延時(shí)，以觸發(fā)脈沖的形式輸出到器件的某個(gè)引腳上，關(guān)斷電器。

固定功能器件的特性如下：是可用的電容性觸摸解決方案；固定功能微控制器可帶有在出廠已編程的固件；相比微控制器觸摸軟件庫方案，把固定功能方案集成到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所需的工作量比較??；輸出接口和傳感器排列方面的用戶可配置性有限；因?yàn)槭怯芍魑⒖刂破魍瓿芍饕膽?yīng)用任務(wù)，而加入固定功能觸摸器件旨在增加電容性觸摸支持，所以這種方案需要在設(shè)計(jì)中加入額外的微控制器。

圖2：電容性觸摸應(yīng)用。

開發(fā)人員按不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體要求來選擇所需的觸摸功能和解決方案。

觸摸按鍵、滑塊和滑輪的典型使用環(huán)境見下表。

典型的電容性觸摸傳感器通過各個(gè)通道連接至MCU。圖3所示為使用一個(gè)通道的接近按鍵傳感器、使用一個(gè)通道的觸摸按鍵傳感器和使用一組三個(gè)通道的滑塊/滑輪傳感器。MCU端口引腳可用作觸摸傳感器通道引腳。

圖3：觸摸感測(cè)接口。

固定功能器件方案

目前市場(chǎng)上提供的解決方案之一是固定功能觸摸器件，所謂“固定功能”是指一組只用于處理觸摸傳感器的器件。因此，固定功能器件就是一種專用的觸摸微控制器解決方案。固定功能觸摸器件可提供單通道或多通道支持，其觸摸傳感器排列通常是按照用作按鍵、滑塊、滑輪還是這些功能的固定組合而預(yù)先配置好的。

固定功能器件一般會(huì)利用串行接口來向主微控制器更新觸摸狀態(tài)信息，該接口通常是一個(gè)I2C兼容接口?；蚴遣捎肧PI、USART和位觸發(fā)(bitbanging)等其它接口技術(shù)。固定功能器件的觸摸狀態(tài)往往包括接近按鍵或觸摸按鍵的開關(guān)(ON/OFF)狀態(tài)，滑塊的線性觸摸定位值，以及滑輪的觸摸角度定位值。

圖4：固定功能觸摸MCU解決方案。

此外，固定功能觸摸器件還具有一項(xiàng)額外的功能，即器件引腳上可輸出頻閃和脈沖來顯示某種結(jié)果，而無需采用串行接口。這意味著按鍵的開關(guān)狀態(tài)或滑塊、滑輪的位置信息并非固定功能觸摸器件的輸出信息。而對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二級(jí)處理而獲得的二級(jí)數(shù)據(jù)輸出，可以滿足應(yīng)用的需求。例如，在電器的功率控制中，觸摸按鍵狀態(tài)信息可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)經(jīng)過編程的自動(dòng)關(guān)斷延時(shí)，以觸發(fā)脈沖的形式輸出到器件的某個(gè)引腳上，關(guān)斷電器。

固定功能器件的特性如下：是可用的電容性觸摸解決方案；固定功能微控制器可帶有在出廠已編程的固件；相比微控制器觸摸軟件庫方案，把固定功能方案集成到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所需的工作量比較??；輸出接口和傳感器排列方面的用戶可配置性有限；因?yàn)槭怯芍魑⒖刂破魍瓿芍饕膽?yīng)用任務(wù)，而加入固定功能觸摸器件旨在增加電容性觸摸支持，所以這種方案需要在設(shè)計(jì)中加入額外的微控制器。

圖5：觸摸軟件庫解決方案。

微控制器觸摸軟件庫方案

觸摸軟件庫為用戶提供了一組他們所期待的觸摸按鍵、滑塊和滑*能，這些功能可連接到固件中，為設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供觸摸感測(cè)能力?；凇半姾赊D(zhuǎn)移”的觸摸捕獲技術(shù)利用常見的片上硬件來處理觸摸傳感器，為通用微控制器中的電容性觸摸支持提供便利。微控制器供應(yīng)商能夠通過標(biāo)準(zhǔn)微控制器產(chǎn)品系列來支持這種解決方案，從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供了使用現(xiàn)成觸摸解決方案的機(jī)會(huì)。

圖6：通用MCU觸摸軟件庫解決方案。

觸摸軟件庫微控制器解決方案較固定功能器件方案為硬件和固件設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。利用觸摸軟件庫API，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)任何所需的傳感器定制配置。此外，觸摸軟件庫還能讓用戶可以很方便地按照自己的意愿選擇一組端口引腳，用作所選標(biāo)準(zhǔn)微控制器上的觸摸傳感器通道。同時(shí)，觸摸處理現(xiàn)在已可成為主要用戶應(yīng)用任務(wù)的一環(huán)了。

觸摸軟件庫MCU解決方案提供的這種用戶配置能力，對(duì)于升級(jí)現(xiàn)有設(shè)計(jì)和增加電容性觸摸功能性相當(dāng)有用?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)中的通用微控制器可以復(fù)用。利用觸摸軟件庫，便可重新配置在目前設(shè)計(jì)中用于機(jī)械按鍵、滑塊或滑輪的端口引腳，從而支持電容性觸摸。這時(shí)，熟知微控制器的使用，了解相關(guān)微控制器工具的用法就成了一大增值優(yōu)勢(shì)。因此，觸摸軟件庫可用來為眾多控制應(yīng)用開發(fā)單芯片解決方案，或者在比較復(fù)雜的應(yīng)用產(chǎn)品中減少芯片數(shù)目。

圖7：專用微控制器及主MCU觸摸軟件庫解決方案。

觸摸軟件庫解決方案所延伸出的一個(gè)有意思的優(yōu)點(diǎn)，是可用于專用微控制器。例如，汽車、無線、LCD和USBMCU都有專用的微控制器產(chǎn)品系列?；凇半姾赊D(zhuǎn)移”捕獲的觸摸軟件庫能夠讓這些微控制器實(shí)現(xiàn)電容性觸摸功能，從而開辟了新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)途徑。

，許多產(chǎn)品采用一個(gè)主微控制器和一個(gè)專用控制器來實(shí)現(xiàn)觸摸功能性。由于觸摸功能性被集成到主微控制器中，故板空間和產(chǎn)品成本得以減少。在這種主微控制器中，只要利用觸摸軟件庫，片上觸摸硬件的軟件開銷便可被降至。

以下是采用基于觸摸軟件庫的微控制器解決方案的一些考慮事項(xiàng)：用于開發(fā)觸摸應(yīng)用的免權(quán)益金軟件庫；按鍵數(shù)對(duì)芯片引腳數(shù)效率，即支持一定觸摸傳感器數(shù)所需的微控制器引腳數(shù)隨選擇的測(cè)量電容的“電荷轉(zhuǎn)移”方案不同而變化；觸摸軟件庫代碼存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)消耗；觸摸軟件庫的處理器MIPS消耗；觸摸傳感器處理所需的片上外設(shè)資源。

實(shí)現(xiàn)觸摸支持的輔助PC軟件工具

固定功能器件和觸摸軟件庫解決方案可提供調(diào)試信息，讓用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控觸摸傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)。觸摸傳感器電容性測(cè)量中的信號(hào)、參考值和增量值等信息以及開關(guān)(ON/OFF)狀態(tài)和位置信息，都可通過一個(gè)串行調(diào)試接口來傳送。用戶能夠利用PC軟件工具獲得這種調(diào)試信息，用于監(jiān)控傳感器功能性和調(diào)節(jié)某些傳感器參數(shù)，以優(yōu)化觸摸性能。

圖8：MCU觸摸軟