更智能的觸摸傳感解決方案

談到觸摸感應(yīng)，無(wú)論是在MCU還是在傳感器市場(chǎng)上，都是增長(zhǎng)最快的份額之一。電容式的感應(yīng)產(chǎn)品正在以非?？斓乃俣冗M(jìn)入觸摸感應(yīng)的整體技術(shù)市場(chǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)顯示，2011年的單年觸摸感應(yīng)半導(dǎo)體需求將達(dá)到30億美元。到2011年僅手機(jī)應(yīng)用中的觸摸感應(yīng)份額將增長(zhǎng)到4億件。這是一個(gè)非?？捎^的數(shù)字。

電容式觸摸感應(yīng)

應(yīng)用最廣的是電阻式的觸摸感應(yīng)方案，但是電容式的觸摸感應(yīng)方案擁有增長(zhǎng)最快的份額。電容式觸摸感應(yīng)方案之所以是增長(zhǎng)最快的方案的原因有一下幾點(diǎn)：第一，在各種各樣的便攜式設(shè)備中，觸摸感應(yīng)的方案的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣；第二，隨著制造成本的降低，電容式的方案會(huì)越來(lái)越多，電容式的方案的可制造性也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，體現(xiàn)在無(wú)論是工業(yè)應(yīng)用還是便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用；第三，由IPOD效應(yīng)引發(fā)的其他供應(yīng)商大量跟進(jìn)電容式觸摸感應(yīng)方案。

硬件方案和軟件方案

觸摸感應(yīng)的方案一般用在觸摸面板、觸摸按鍵、觸摸屏這類方面。醫(yī)療設(shè)備、工廠自動(dòng)化、家用電器、汽車(chē)、手持通信設(shè)備、電腦外設(shè)等等都是飛思卡爾觸摸感應(yīng)方案包括專用芯片和軟件方案適用的領(lǐng)域。

硬件方案

在選用芯片時(shí)，可以針對(duì)不用領(lǐng)域進(jìn)行選擇，比如消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)和汽車(chē)級(jí)的芯片等。

飛思卡爾的芯片硬件方案主要有MPR121：性能較高，1.71V至3.6V、12 個(gè)電極，鍵盤(pán)、I2C、3mmx3 mm 20QFN封裝；MPR031 ：小型方案，1.71V至2.75V、2 或 3 個(gè)電極，鍵盤(pán)、I2C、2 mmx2 mm 8UDFN 封裝；MPR083/084：基于MCU，1.8V至3.6V、8 個(gè)電極，轉(zhuǎn)輪和鍵盤(pán)、I2C， 5 mmx5 mm 16QFN；MC33941 ：電場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)品。

MPR121是飛思卡爾較新的專用的觸摸傳感器。它的明顯優(yōu)勢(shì)是功耗比較低，可以到29μA，低電源電流為便攜式應(yīng)用提供強(qiáng)大的低功耗優(yōu)勢(shì)。

達(dá)12個(gè)電極的檢測(cè)，每個(gè)電極和獨(dú)立設(shè)置，也可以把12個(gè)電極在內(nèi)部連接起來(lái)合成一個(gè)虛擬電極，進(jìn)行接近檢測(cè)，比如可以把手機(jī)拿起來(lái)貼近自己的臉。它可以同時(shí)具備按鍵檢測(cè)和接近檢測(cè)，工作電壓在1.71V至3.6V，具有在MPR031基礎(chǔ)之上第二代優(yōu)化的內(nèi)部算法，有獨(dú)立的自動(dòng)算法和獨(dú)立校準(zhǔn)和自動(dòng)配置功能。使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)外部元器件，一個(gè)濾波電容就可以工作了。不需要加其他的元器件就可以工作，使用方便簡(jiǎn)單。

作為飛思卡爾觸電容式摸傳感器芯片第二代產(chǎn)品MPR121，有智能、靈活、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，有獨(dú)立的校準(zhǔn)功能，可以簡(jiǎn)化觸摸應(yīng)用設(shè)計(jì)。隨著采樣率的降低，功耗也可進(jìn)一步降低。智能方面表現(xiàn)在可以對(duì)產(chǎn)品自動(dòng)校驗(yàn)維護(hù)。靈活性表現(xiàn)在用戶使用上功能都是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，不需要設(shè)置，會(huì)根據(jù)電極的變化自動(dòng)調(diào)整，比如環(huán)境溫度濕度變化時(shí)，并且走線簡(jiǎn)單，使用起來(lái)方便靈活。

MPR121特性有：支持多達(dá) 12 個(gè)觸摸電極，1.71 V 至 3.6 V 的工作電壓，29μA 的平均電源電流。在 64ms 的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)對(duì)所有 12 個(gè)電極進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)每個(gè)電極進(jìn)行連續(xù)的獨(dú)立自動(dòng)校準(zhǔn)，每個(gè)電極有各自的觸摸和釋放跳變閾值，可提供回差以及各電極的獨(dú)立性?？沈?qū)動(dòng)多達(dá) 8 個(gè) LED，或8 個(gè)任意組合的邏輯 I/O。具有3μA 的最大關(guān)斷電流。帶有終端口，可通知主機(jī)，比如有按鍵等，帶有 IRQ 輸出的 I2C 接口，可提示電極狀態(tài)的變化3mm×3mm×0.6 mm 20 腳QFN封裝，-40℃到+85℃的工業(yè)級(jí)工作溫度范圍。

MPR121如圖１所示。

圖１ MPR121

與此同時(shí)，MPR121還有配套的 Sensor Toolbox 開(kāi)發(fā)工具，如圖2所示。包括MPR121 評(píng)估和開(kāi)發(fā)板（一組四塊板）；基于經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的 KITMPR03x 評(píng)估板；無(wú)鉛封裝的 DIP轉(zhuǎn)換器；一組帶有標(biāo)準(zhǔn)電極連接器的電極樣本。套件中還有評(píng)估軟件和下載。

軟件方案

軟件方案可以靈活應(yīng)用，因?yàn)檐浖桨覆⒉会槍?duì)某一個(gè)特定的芯片，可以選用任一個(gè)MCU，只要是MCU適合這個(gè)應(yīng)用，那這個(gè)軟件方案就可以適合這個(gè)應(yīng)用，所以是非常靈活的。

觸摸感應(yīng)軟件套件特征有：1.8V至5.5V，64 個(gè)電極，鍵盤(pán)、滑條、轉(zhuǎn)輪、矩陣與觸摸板、I2C、LIN、CAN、SPI、USB、所有的 S08 封裝選項(xiàng)。

圖2 MPR121配套的Sensor Toolbox開(kāi)發(fā)工具

目前使用的是觸摸感應(yīng)軟件版本1.0，還會(huì)推出觸摸感應(yīng)軟件版本2.0，3.0，4.0。還陸續(xù)會(huì)推出薄膜概念方案、電感式概念方案、電阻式觸摸屏方案、多點(diǎn)觸摸概念方案等。

由于是用MCU實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的，所以MCU的其他功能就能得到充分使用，并與感應(yīng)檢測(cè)同時(shí)協(xié)同工作，比如外部的LCD驅(qū)動(dòng)、LED驅(qū)動(dòng)、其他的外設(shè)，比如蜂鳴器、ADC和其他的傳感器，都可以同時(shí)用來(lái)工作。

飛思卡爾觸摸軟件感應(yīng)套件可將任何8位S08 MCU用作觸摸傳感器。TSS （Touch Sensing Software）能簡(jiǎn)化用戶對(duì)接口的設(shè)計(jì)，讓客戶能夠在 10 分鐘內(nèi)從零開(kāi)始，開(kāi)發(fā)出一個(gè)應(yīng)用。TSS 能夠讓用戶界面獲得提升，可避免機(jī)械損耗和破壞的影響，增加產(chǎn)品的使用壽命，而且還讓設(shè)計(jì)人員獲得更大的靈活性，因?yàn)樗麄兛梢噪S意選擇使用任意一款的飛思卡爾MCU。TSS 是免費(fèi)的軟件，帶有低成本的開(kāi)發(fā)工具，允許設(shè)計(jì)人員針對(duì)其應(yīng)用選擇最佳的 MCU 器件，并為他們多節(jié)省一個(gè)傳感器 IC 的成本。

觸摸感應(yīng)軟件套件解決方案的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示?？梢赃x擇不同的鍵盤(pán)類型、鍵盤(pán)數(shù)量和不同的MCU。若MCU的引腳有多余就可以利用來(lái)做電極。

圖3 觸摸感應(yīng)軟件套件解決方案結(jié)構(gòu)框圖

主要是用到MCU的內(nèi)部的一些運(yùn)算，用軟件的方法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，主要結(jié)構(gòu)在軟件算法，包括按鍵矩陣、轉(zhuǎn)輪、滑條、鍵盤(pán)，有各種各樣不同的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的按鍵類型檢測(cè)。軟件界面更加炫目，能以較低功耗實(shí)現(xiàn)接口方案。軟件的解決方案面向應(yīng)用，所以對(duì)API的接口設(shè)計(jì)充分，用戶可以簡(jiǎn)單地應(yīng)用到這些軟件方案，與庫(kù)文件進(jìn)行接口。在方案中，考慮到各種按鍵的使用中情況，包括噪聲抑制的算法，有內(nèi)部的優(yōu)化的緩存結(jié)構(gòu)，支持64個(gè)電極任意排列的組合?？梢栽谶\(yùn)行的同時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉任一個(gè)按鍵，并有自動(dòng)重復(fù)等自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的算法，比如對(duì)粘滯按鍵、斷路按鍵、亂按鍵的情況都有響應(yīng)的自動(dòng)算法處理。

與其他代碼的共存能力較強(qiáng)，占用資源少，對(duì)其他的應(yīng)用軟件影響較小。針對(duì)軟件的解決方案，也有相應(yīng)的一些開(kāi)發(fā)工具，有一些評(píng)估板提供。有這些軟件和評(píng)估板工具，可以很快地連接使用。

問(wèn)答選編

問(wèn)：觸摸傳感器缺少傳統(tǒng)機(jī)械按鍵的手感，容易造成誤動(dòng)作？這個(gè)問(wèn)題怎么解決比較好？

答：在我們的軟件方案中，有很多防止誤觸發(fā)和誤檢測(cè)的算法，用戶也可以對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行配置，可以保證檢測(cè)結(jié)果的靈敏性和正確度。

問(wèn)：我下載了MPR121的Data Sheet 看了一下，發(fā)現(xiàn)MPR121的寄存器設(shè)置還是很豐富的。麻煩介紹一下各個(gè)寄存器的配置及配置過(guò)程中為匹配不同傳感電極形狀應(yīng)注意的取值范圍。

一般需要通過(guò)幾個(gè)步驟進(jìn)行寄存器配置才可以實(shí)現(xiàn)與電路的良好匹配，發(fā)揮MPR121最好的性能？

答：我們有MPR121的快速入門(mén)指南 (KITMPR121EVMQSG, URL: http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MPR121fpsp=1tab=Documentation_Tab)，用戶第一步可以參考該文檔進(jìn)行快速配置。

問(wèn)： S08系列的任一款微控制器都適用于該軟件解決方案？是否可以理解為軟件方案只適合鍵盤(pán)檢測(cè)的觸摸感應(yīng)場(chǎng)合？

答：是的, 該軟件方案適用于任意一款S08系列的微處理器。目前該軟件除了支持觸摸按鍵還支持slider、rotator（Wheel），適合各種觸摸式人機(jī)交互場(chǎng)合，不局限于鍵盤(pán)檢測(cè)。

問(wèn)：該觸摸感應(yīng)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境是什么樣的？可以支持C語(yǔ)言嗎？

答：采用飛思卡爾的Code Warrior開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持C語(yǔ)言編程。

問(wèn)：使用TSS需要占用多少硬件資源和Flash空間？

答： TSS基本占用3.7kB的Falsh，105多個(gè)字節(jié)，具體根據(jù)你是否使用keypad，slider，rotator （解碼器）和按鍵的數(shù)量多少來(lái)決定, 但是增加的空間不是很多, 具體你可以參考TSS的spec. 例如一個(gè)20個(gè)鍵盤(pán)大占用5k Flash空間，130B~240B RAM。

問(wèn)：請(qǐng)問(wèn)專家電容式觸摸傳感器和電感式觸摸傳感器有什么區(qū)別？哪種更有優(yōu)勢(shì)？

答：其實(shí)這兩種方案并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。對(duì)于飛思卡爾的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，電容式的方案檢測(cè)的距離更遠(yuǎn)，它的電極可以有很長(zhǎng)的走線；而電感式針對(duì)的是按鍵檢測(cè)這種近距離的檢測(cè)，它的電極和檢測(cè)芯片通常是在同一塊PCB板上。

問(wèn)：使用雙面板設(shè)計(jì)時(shí)，通常PCB的正面設(shè)計(jì)按鍵感應(yīng)圖形，在PCB背面進(jìn)行大面積鋪地（也可能會(huì)有接地的金屬支撐件）。這里有個(gè)問(wèn)題，如果選用比較薄的PCB（如厚度0.8mm），對(duì)電容感應(yīng)靈敏度是否會(huì)有大的影響，如果有，應(yīng)該如何避免？

答：大面積的敷銅地會(huì)吸收電容檢測(cè)建立的電場(chǎng)，使得有效的觸摸信號(hào)小而背景靜態(tài)電容大，這又要看觸摸電極和背銅的相對(duì)大小，以及觸摸所導(dǎo)致的電容變化量有多大。一般電極有4mm×4mm的大小時(shí)0.8的PCB背銅影響已經(jīng)不大了。

問(wèn)：當(dāng)每個(gè)電機(jī)達(dá)到各自的觸摸和釋放跳變閾值時(shí)，該MPR121觸摸傳感器是如何工作的？

答：MPR121有按鍵狀態(tài)寄存器可以讀取狀態(tài)， 同時(shí)狀態(tài)寄存器任意比特位的變化會(huì)觸發(fā)中斷引腳輸出。

問(wèn)：MPR121自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)如何運(yùn)行的？校準(zhǔn)精度？

答：飛思卡爾的觸摸檢測(cè)方案可以判斷環(huán)境的緩慢變化和有觸摸發(fā)生時(shí)的快速變化，而且可以根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，保證檢測(cè)的靈敏度和可靠性。

問(wèn)： MPR031在抗干擾上有什么措施？

答：飛思卡爾的觸摸檢測(cè)方案有一些特殊的算法來(lái)保證有良好的抗干擾能力，例如它有內(nèi)置的硬件和軟件濾波，有回差和去抖的設(shè)置等等。

問(wèn)：第二代的觸摸傳感器是否可以在潮濕的環(huán)境中使用？對(duì)于電磁干擾是否敏感？

答：第二代的觸摸傳感器可以在潮濕的環(huán)境中使用。MPR03x和MPR121可以在電磁干擾的環(huán)境下工作例如手機(jī)，根據(jù)具體設(shè)計(jì)環(huán)境在濾波和layout設(shè)計(jì)上要注意。

問(wèn)： MPR121對(duì)于供電的要求能有哪些？紋波最好控制多大以下？

答：在VDD引腳供電時(shí)不用很講究應(yīng)為內(nèi)部有穩(wěn)壓電路，在有VREG供電時(shí)，最好在100mV以下，此時(shí)輸出有最大有2LSB～3LSB的變化。

問(wèn)：當(dāng)電容式接近感應(yīng)方案系統(tǒng)中的供電電壓偏低時(shí)，會(huì)否影響感應(yīng)效果?

答：當(dāng)電壓不同時(shí)，電容充放電的速度不同，所以檢測(cè)的閾值也不同。但只要電壓保持一致，是不會(huì)影響檢測(cè)效果的。

問(wèn)：只能用PCB電極么？MPR121有透明電極的方案么？用于小屏的12分區(qū)觸摸方案（智能家居的墻面終端，要求低成本）。

答：不是只能用PCB電極。只要能形成一定電容感應(yīng)的材料都可以用。MPR121可以支持低分辨率的觸摸屏例如12分區(qū)的ito。

問(wèn)： MPR121在使用過(guò)程中，對(duì)覆蓋電極上面的不同材料（如：塑膠、玻璃、亞克力）以及電極圖形對(duì)觸摸靈敏度的影響是怎么樣的？另外，我們公司產(chǎn)品一般以4mm厚的LED背光源覆蓋在PCB感應(yīng)電極上，是否可以可靠檢測(cè)？最大的感應(yīng)距離大概會(huì)在什么區(qū)間？

答：電容檢測(cè)的靈敏度和很多因數(shù)相關(guān)，比較明顯的是電極形狀的大小，覆蓋材料的厚度，對(duì)4mm厚的亞克力覆蓋材料電極一般為10mm×10mm，有相當(dāng)好的信噪比，具體的尺寸和距離要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)來(lái)確定。

問(wèn)：飛思卡爾更智能的觸摸傳感解決方案是否也有壽命限制？一般而言能有多長(zhǎng)工作壽命？

答：只要芯片和PCB本身沒(méi)壞，這種觸摸檢測(cè)就會(huì)一直有效。

問(wèn)：請(qǐng)問(wèn)對(duì)觸摸電極的分布電容值有沒(méi)有要求？

答：有的。分布電容太大，會(huì)導(dǎo)致電極的整體電容偏大，從而影響檢測(cè)的精度。一般分布電容最好在100pF以下。

問(wèn)：MPR121提供12個(gè)電極，是否只能支持12個(gè)按鍵，還是可以通過(guò)行列方式支持更多的按鍵？

答：MPR121有12個(gè)電極以及12個(gè)相應(yīng)的觸摸狀態(tài)位報(bào)告，MCU可以簡(jiǎn)單的讀取狀態(tài)來(lái)處理按鍵。另外MPR121有4個(gè)可選 的 I2C地址，所以一個(gè)系統(tǒng)中可以用4片MPR121，可以簡(jiǎn)單的擴(kuò)張到48通道。因?yàn)镸PR121在狀態(tài)寄存器外還同時(shí)提供電容測(cè)量數(shù)據(jù)寄存器，如果用戶有上層的軟件可以進(jìn)行比較高級(jí)的算法處理，這樣也可以通過(guò)通道復(fù)用的行列方式擴(kuò)展有效通道，比如用一片MPR121擴(kuò)展為36通道（6×6），此PCB layout相對(duì)復(fù)雜。