以高整合度混合信號(hào)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)兩線(xiàn)式Force Sensor應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　1. 內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　在2015年，蘋(píng)果新一代的MacBook和Apple Watch皆搭載壓力觸控感應(yīng)技術(shù)，它被Apple稱(chēng)為Force Touch，用戶(hù)每次按下觸控板之后除了可以在螢?zāi)豢匆?jiàn)視覺(jué)回饋，它同時(shí)能夠分辨出用戶(hù)點(diǎn)按的力度強(qiáng)弱來(lái)做出一系列的相關(guān)操控與應(yīng)用。而本文將介紹以HY16F184內(nèi)建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC搭配Uneo Force Sensor來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)類(lèi)似Force Touch應(yīng)用電路。 在本文中的Force Touch應(yīng)用電路上，主要的元件有：壓力感測(cè)器(Force Sensor)、ADC和MCU控制晶片。 紘康HY16F184控制晶片內(nèi)建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程式放大PGA和多段式穩(wěn)壓輸出等功能，可以很大幅簡(jiǎn)化PCB周邊線(xiàn)路，精準(zhǔn)完成由類(lèi)比到數(shù)位的訊號(hào)轉(zhuǎn)換。

　　在一個(gè)完整Force Touch實(shí)際應(yīng)用上，除了需要考量到X, Y軸座標(biāo)與Z軸強(qiáng)度計(jì)算，同時(shí)也需要考量到電流消耗功率與掃瞄速度和校正的應(yīng)用設(shè)計(jì)。而在本文內(nèi)，只先探討與介紹如何使用HY16F184內(nèi)建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC來(lái)掃描四個(gè)Force Sensor并透過(guò)I2C通訊來(lái)輸出基本的ADC Raw Data。使用I2C轉(zhuǎn)USB橋接器與電腦連接，由電腦端GUI做即時(shí)四個(gè)通道的ADC Raw Data資料變化量顯示。

　　2. 原理說(shuō)明

　　2.1. 量測(cè)原理

　　Uneo Force Sensor是以壓阻效應(yīng)(piezoresistive effects)為基礎(chǔ)的壓力感測(cè)器，所謂壓阻效應(yīng)是指當(dāng)感測(cè)器內(nèi)部感測(cè)元件受到外界壓力作用于其上時(shí)，其電阻值會(huì)隨之改變的現(xiàn)象。 使用者可以依照電阻值的變化量，使其輸出電壓隨之改變，來(lái)推算出壓力大小。在本文中，是使用Uneo Force Sensor來(lái)做單端輸入(Single Input)的訊號(hào)量測(cè)，其量測(cè)方法與原理，可以參考下圖1。R1為一個(gè)固定的參考電阻，Vr則為固定的參考電壓，Rs即為Uneo Force Sensor電阻值變化量，當(dāng)外界壓力作用于其上時(shí)，Rs電阻值則會(huì)產(chǎn)生變化，V2則為Uneo Forec Sensor相對(duì)應(yīng)的電壓變化量。其公式為:V2=+Vr*R1/(Rs+R1)。Uneo Forece Sensor的特性為當(dāng)元件受到外界壓力越大時(shí)，其電導(dǎo)(Conductance)值會(huì)越大，換而言之即是電阻(Resistance)值會(huì)越小。所以由以上公式配合Uneo Force Sensor特性可以得知，當(dāng)V2電壓越大時(shí)候代表所感受到的Force壓力也越大。

　　圖1 Uneo Force Sensor量測(cè)原理

　　本文Force Tocuh的基本架構(gòu)如下圖2所示，包含四個(gè)壓力感測(cè)器(Force Sensor)、ADC和MCU單晶片。當(dāng)有重力施壓在壓力感測(cè)器上時(shí), 壓力感測(cè)器會(huì)將所得到的電壓訊號(hào)變化量，透過(guò)類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換(ADC)給單晶片(MCU)做后端的訊號(hào)處理計(jì)算，最后再透過(guò)I2C通訊輸出資料。在本文中，使用到的壓力感測(cè)器為Uneo Force Sensor，詳細(xì)關(guān)于Uneo Force Sensor規(guī)格如下圖3，MCU單晶片與ADC規(guī)格部份可以章節(jié)2.2介紹。

　圖2 HY16F184 Force Touch基本架構(gòu)應(yīng)用圖

　　圖3 Uneo Force Sesnor基本規(guī)格與特性

　　2.2. 控制晶片

　　單片機(jī)簡(jiǎn)介：HY16F系列32位元高性能Flash單片機(jī)(HY16F184)

　　圖4 紘康HY16F系列32位元高性能Flash單片機(jī)(HY16F184)

　　(1)採(cǎi)用最新Andes 32位元CPU核心N801處理器。

　　(2)電壓操作范圍2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作溫度范圍。

　　(3)支援外部16MHz石英震盪器或內(nèi)部20MHz高精度RC震盪器，

　　擁有多種CPU工作時(shí)脈切換選擇，可讓使用者達(dá)到最佳省電規(guī)劃。

　　(3.1)運(yùn)行模式 350uA@2MHz/2(3.2)待機(jī)模式 10uA@32KHz/2(3.3)休眠模式 2.5uA

　　(4)程式記憶體64KBytes Flash ROM

　　(5)資料記憶體8KBytes SRAM。

　　(6)擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機(jī)。

　　(7)24-bit高精準(zhǔn)度ΣΔADC類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器

　　(7.1)內(nèi)置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達(dá)128倍放大。

　　(7.2)內(nèi)置溫度感測(cè)器TPS。

　　(8)超低輸入雜訊運(yùn)算放大器OPAMP。

　　(9)16-bit Timer A

　　(10)16-bit Timer B模組具PWM波形產(chǎn)生功能

　　(11)16-bit Timer C 模組具數(shù)位Capture/Compare 功能

　　(12)硬體串列通訊SPI模組

　　(13)硬體串列通訊I2C模組

　　(14)硬體串列通訊UART模組

　　(15)硬體RTC時(shí)鐘功能模組

　　(16)硬體Touch KEY功能模組