Microchip Attiny1616 觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)方案EVB

觸摸感應(yīng)正在成為一種潮流。無論是我們家里的冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)，辦公室的筆記本、臺(tái)式機(jī)，還是手中的手機(jī)、iPad、遙控器，亦或汽車的中控屏、娛樂屏、車窗控制、車門控制、燈光調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)……，觸摸感應(yīng)方式幾乎隨處可見，正以它的美觀耐用吸引著大家。在市場(chǎng)瞬息萬變的今天，我們迫切需要一種觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)，它操作簡(jiǎn)單，并在很短的時(shí)間內(nèi)就可以完成。本方案以Microchip ATTINY1616為例，介紹如何方便、靈活地實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵、滑條的設(shè)計(jì)。您的產(chǎn)品也將受到更多的人追捧。

下面我將從原理、抗噪、防水、軟件、硬件、調(diào)試等方面展開介紹，讓您輕松進(jìn)入觸摸世界。

電容感應(yīng)原理

電容感應(yīng)分為自電容和互電容，本方案采用的是自電容感應(yīng)，如果您對(duì)互電容也比較感興趣，請(qǐng)與大聯(lián)大品佳當(dāng)?shù)剞k事處聯(lián)系。簡(jiǎn)單而言，電容感應(yīng)原理就是檢測(cè)Sensor電容的變化。Sensor(電容式按鍵和滑條)就是PCB上的鋪銅，Sensor和地之間會(huì)有一個(gè)寄生電容Cp，當(dāng)觸摸發(fā)生時(shí)，會(huì)再形成一個(gè)電容，稱作手指電容Cf, 這時(shí)候總的電容就變?yōu)镃s, 也就是Cp+Cf。如下圖所示。

Microchip 的ATTINY1616是一顆8位的MCU, 配合Atmel Studio開發(fā)環(huán)境可以非常方便地實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵、滑條、滾輪等設(shè)計(jì)。

Microchip電容感應(yīng)技術(shù)有兩種，一種是基于mTouch?技術(shù)CVD，許多PIC?器件支持CVD。另一種是QTouch?技術(shù)PTC，許多AVR? MCU、 SAM MCU和MPU都配有PTC。本方案ATTINY1616采用的是QTouch技術(shù)。

自電容傳感器模型如下：

電極的自電容是相對(duì)于電路GND網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量傳感器電極對(duì)GND電容變化。

· 抗噪設(shè)計(jì)

噪聲問題是電容式觸摸無法避免的問題。在我們的生活中，有很多噪聲源，比如對(duì)講機(jī)、手機(jī)、電機(jī)、熒光燈、插座等。差模噪聲會(huì)影響所有的觸摸按鈕，例如輻射噪聲熒光燈以及靠近前面板的RF發(fā)射器，傳導(dǎo)噪聲前面板上的LED以及應(yīng)用中的電機(jī)等。共模噪聲只影響被觸摸的按鍵，例如電源噪聲、開關(guān)模式PSU、與存在噪聲的設(shè)備有線通信等。共模噪聲并不明顯，只是在觸摸之后才能感受到，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說更有挑戰(zhàn)。不管是共模噪聲還是差模噪聲，在設(shè)計(jì)之初都需要考慮好抗噪。Microchip觸摸方案可以做到很好的抗噪設(shè)計(jì)，可以通過硬件設(shè)計(jì)+軟件調(diào)試實(shí)現(xiàn)。

· 防水設(shè)計(jì)

防水設(shè)計(jì)也是電容式觸摸需要考慮的問題。不管是水霧、水滴、還是水流，都會(huì)對(duì)按鍵或滑條本身的電容產(chǎn)生影響，產(chǎn)生誤觸摸或者觸摸無反應(yīng)現(xiàn)象，如下圖所示。

Microchip觸摸方案可以通過增加Driven Shield或Driven Shield+來實(shí)現(xiàn)防水設(shè)計(jì)。

· 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候請(qǐng)注意面板不能是導(dǎo)電的！需要確認(rèn)其成分！如果摻雜了“微量”金屬，一定要取得材料提前測(cè)試！要讓所有項(xiàng)目參與者了解，尤其是采購(gòu)！

PCB Layout注意事項(xiàng)如下：

1. 走線盡量細(xì)。尤其是信號(hào)接收線。推薦走工藝許可的最小線寬。如果是ITO或PEDOT等高阻抗透明線，要綜合考慮阻抗和加寬之后可能引入的干擾。線長(zhǎng)控制在150mm以內(nèi)。

2. 透明材料有一個(gè)方阻的概念。而且阻值比較高（高的有Kohm級(jí)別）。在布線的時(shí)候時(shí)刻要注意用銀漿線降低阻抗。

3. 對(duì)于互容設(shè)計(jì)，X線可以與X線成束并排走線，Y線可以與Y線成束并排走線，線間距最好達(dá)到至少兩倍線寬。但是X線與Y線在非按鍵區(qū)一定要有地線隔離。地線寬至少取X/Y線寬的3倍。

4. X/Y引腳預(yù)留0603尺寸以上的電阻，以處理可能的EMC問題。電阻靠近芯片擺放。

5. 如果結(jié)構(gòu)上實(shí)在沒有辦法搞定ESD，可以考慮外加TVS。需要考慮總體的電容量，選擇容值足夠小的器件，并擺放在PCB板進(jìn)線處。

6. 如果通過接口轉(zhuǎn)接，接口要盡量靠近芯片擺放。

7. 盡量遠(yuǎn)離電源線/地線/其他信號(hào)線，尤其是大電流的高速切換信號(hào)線，比如PWM調(diào)光的LED連線，要通過地層隔離、移到其他層和/或使用Driven Shield的方式降低干擾。

8. 電極與Shield的耦合要盡量低；電極與 GND在各個(gè)方向上的間距至少為前面板厚度的一半。詳細(xì)信息請(qǐng)參見如下鏈接“l(fā)ayout with driven shield”的部分 http://microchipdeveloper.com/touch:guide-for-ptc-driven-shield-design同時(shí)要注意，這種方式不適合FPC。

· 軟件設(shè)計(jì)

ATTINY1616可以通過Atmel Studio（Microchip Studio）或MPLAB-X-IDE集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

本文以Atmel Studio為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。下載網(wǎng)址：https://www.microchip.com/en-us/development-tools-tools-and-software/microchip-studio-for-avr-and-sam-devices

Microchip MCU的優(yōu)勢(shì)之一就是集成了CIP（獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)）,  ATTINY1616也不例外。 QTouch?外設(shè)觸摸控制器（ Peripheral Touch Controller， PTC）可以用于按鈕、滑條和滾輪設(shè)計(jì)，提供用于電容式觸摸測(cè)量的內(nèi)置硬件。 PTC 支持互電容和自電容測(cè)量，無需任何外部元件，即能夠提供出色的靈敏度、抗噪性以及自校準(zhǔn)功能，并且可最大限度地降低用戶調(diào)節(jié)靈敏度所需的工作量。

使用Atmel Studio可以非常方便的添加按鍵、滑條、滾輪等設(shè)計(jì)，并且對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

使用Data Visualizer可視化觸摸數(shù)據(jù)調(diào)試可以非常方便直觀地觀測(cè)到觸摸存在時(shí)數(shù)據(jù)和圖形的變化。

· 調(diào)試工具

調(diào)試工具可以選擇MPLAB PICkit 4（對(duì)應(yīng)開發(fā)環(huán)境MPLAB-X-IDE）或ATATMEL-ICE（對(duì)應(yīng)開發(fā)環(huán)境Atmel Studio）。

ATATMEL-ICE介紹：https://www.microchip.com/DevelopmentTools/ProductDetails/PartNO/ATATMEL-ICE。

? 場(chǎng)景應(yīng)用圖

? 展示版照片

? 方案方塊圖

? 核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

Microchip提供完整的觸摸解決方案，可以適用于所有市場(chǎng)的觸摸用例——從單個(gè)按鍵、滑條（1D）到觸摸板和觸摸屏（2D），以及接近傳感檢測(cè)和3D手勢(shì)控制等。下面介紹一下1D Touch的性能優(yōu)勢(shì)。

1. 耐抗噪聲能力

? 高信噪比（SNR）

? 經(jīng)過IEC61000 EFT和BCI測(cè)試

2. 耐水性觸摸功能

? 觸摸界面可以在各種環(huán)境條件（包括潮濕表面）下正常使用，而無需在每次使用其設(shè)備前清潔或擦干手。

3. 金屬表面觸摸功能、防水觸摸功能 Microchip提供金屬表面電容（MoC）技術(shù)，可支持：

? 金屬表面：不銹鋼或鋁

? 可透過任何厚度的手套進(jìn)行檢測(cè)

? 防水設(shè)計(jì)

? 支持盲文的界面

4. 低功耗

? PIC、AVR和SAM器件上的專用硬件支持最低功耗的觸摸功能，其電容傳感電流低于5 μA

5. 支持互電容觸摸傳感，可支持多按鍵數(shù) Microchip優(yōu)化和增強(qiáng)了以矩陣方式掃描大量按鈕的方法?？蓮亩鄠€(gè)方面節(jié)省成本：

? 減少饋送線數(shù)量，簡(jiǎn)化輸入輸出（flexPCB）端口的連接

? 減少觸摸所需的引腳數(shù)，使器件具備高成本效益且占用空間較小

? 通過Microchip的獨(dú)特固有饋送線路長(zhǎng)度補(bǔ)償，大幅縮短開發(fā)時(shí)間

6. 經(jīng)過安全認(rèn)證的觸摸傳感功能

? Microchip 提供通過IEC/UL 60730安全B類標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品（現(xiàn)成產(chǎn)品和傳感庫(kù)）。

? 方案規(guī)格

Microchip ATTINY1616

? 最多可實(shí)現(xiàn)12個(gè)自容式按鍵/36個(gè)互容式按鍵

? 可實(shí)現(xiàn)滑條、滾輪等設(shè)計(jì)

? 支持Driven Shield和Driven Shield+

? 具備I2C/SPI/UART接口

? 有車規(guī)產(chǎn)品