Cortex-M4核Kinetis平臺(tái)的電容式觸摸鍵盤(pán)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式按鍵的不足，采用飛思卡爾Kinetis平臺(tái)K60系列MCU，設(shè)計(jì)了一種電容式觸摸鍵盤(pán)。闡述了電容式感應(yīng)觸摸原理，介紹了K60系列MCU的內(nèi)部TSI模塊工作機(jī)制，給出了簡(jiǎn)化的接口設(shè)計(jì)和鍵盤(pán)PCB布局方法，最后詳細(xì)地分析了TSI模塊軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程。
關(guān)鍵詞：Cortex-M4；電容式觸摸；Kinetis；TSI模塊；鍵盤(pán)PCB布局

引言
隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品的日益更新和智能化發(fā)展，人機(jī)交互接口(HMI)得到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用，豐富了人們的體驗(yàn)．而作為其中重要的一部分，觸控感應(yīng)技術(shù)也在快速發(fā)展。觸摔技術(shù)目前來(lái)講主要分為電阻式觸控和電容式觸控，作為近年來(lái)飛速發(fā)展的新技術(shù)，電容式觸控感應(yīng)技術(shù)以其無(wú)機(jī)械損耗、壽命長(zhǎng)、靈敏度高、節(jié)省空間和觸摸動(dòng)作豐富等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)，半導(dǎo)體廠(chǎng)商也不斷地推出相應(yīng)技術(shù)的IC以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)。汽車(chē)電子行業(yè)領(lǐng)先的飛思卡爾半導(dǎo)體廠(chǎng)商就在其新近推出的基于ARM Cortex-M4核的32位Kinetis系列MCU架構(gòu)之中嵌入了高性能的電容式觸摸感應(yīng)接口(Touch Sensing Interface，TSI)模塊，增強(qiáng)了電容觸摸感應(yīng)的穩(wěn)定性和魯棒性，同時(shí)也極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)過(guò)程。本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是利用Kinetis系列中的K60MCU作為控制核心，完成電容觸摸鍵盤(pán)的軟硬件設(shè)計(jì)。

1 電容式觸摸感應(yīng)原理
目前基于IC設(shè)計(jì)的電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)主要有兩種：一種是把電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，再通過(guò)內(nèi)部特殊的電容模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)A／D采樣算出電容量；另一種是把電容值變化轉(zhuǎn)換成內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的變化，在外部電極上產(chǎn)生三角波充放電電壓信號(hào)，通過(guò)對(duì)該三角波電壓信號(hào)的周期進(jìn)行測(cè)量計(jì)數(shù)來(lái)反映外部電極的電容量變化。Silicon Labs推出的電容觸摸系列MCU采用的是前一種方法，而飛思卡爾的Kine tis K60內(nèi)部集成的TSI模塊采用的則是后面一種方法。

TSI模塊通過(guò)內(nèi)部的恒流源對(duì)外部電極進(jìn)行充放電，形成三角波電壓信號(hào)，其內(nèi)部硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示。三角波電壓信號(hào)的周期隨著外部電容的變化而變化，而手指作為虛擬地靠近電極時(shí)會(huì)造成電容容量的增加，使三角波電壓信號(hào)周期變長(zhǎng)，如圖2所示。與此同時(shí)，TSI模塊內(nèi)部還有一個(gè)固定容量的電容構(gòu)成的振蕩器，以其產(chǎn)生的參考時(shí)鐘節(jié)拍對(duì)外部電極產(chǎn)生的三角波電壓信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，外部電極電容量的變化引起三角波電壓信號(hào)周期的變化進(jìn)而引起測(cè)量計(jì)數(shù)值的變化，再通過(guò)內(nèi)部讀取相應(yīng)的計(jì)數(shù)器值即可算出電容量變化。根據(jù)TSI內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，當(dāng)電容值超出設(shè)定的觸發(fā)閾值時(shí)，TSI觸發(fā)標(biāo)志位激活相應(yīng)的中斷請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)事件的響應(yīng)。