基于mcu微控制器的電容感應(yīng)觸控技術(shù)

　　從根本上說(shuō)，微控制器可以被描述為與日益復(fù)雜的外圍設(shè)備緊密耦合的邏輯處理單元。通過(guò)將此數(shù)字域與現(xiàn)實(shí)世界相耦合，外設(shè)的功能和性能是微控制器功能的定義參數(shù)。

　　最近，焦點(diǎn)可能已經(jīng)轉(zhuǎn)移到 MCU 內(nèi)核上，但應(yīng)用仍然在很大程度上定義了所需的外設(shè)集。隨著 MCU 不斷降低處理能力的成本，出現(xiàn)了更多樣化和特定于應(yīng)用的外設(shè)，通過(guò)專用接口增強(qiáng)了通用 I/O （GPIO）。

　　在最簡(jiǎn)單的形式中，專用接口可能只不過(guò)是比較器，而不是 ADC，但越來(lái)越多的相關(guān)外設(shè)將激勵(lì)（電壓或電流源）和測(cè)量（例如 ADC/DAC 或電流感應(yīng)）結(jié)合在一起輸入）。GPIO 是否應(yīng)該被特定應(yīng)用的接口取代現(xiàn)在通常取決于潛在市場(chǎng)的規(guī)模以及可能導(dǎo)致大批量生產(chǎn)的成本節(jié)約。一種這樣的應(yīng)用空間是觸摸傳感器接口。

　　對(duì)低成本觸摸界面的需求正在增長(zhǎng)，因?yàn)樵黾咏换バ缘哪芰Σ粌H可以在一系列設(shè)備中提供更好的控制，而且人們也越來(lái)越期待。

　　觸控技術(shù)

　　從歷史上看，最流行的觸摸感應(yīng)形式是基于電阻的，其中感應(yīng)表面可以覆蓋屏幕或印刷面板。這種方法的好處是簡(jiǎn)單且成本低；需要很少的資源，它也具有相對(duì)較低的處理開銷，但也可以使用專用功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　通常，電阻屏界面通過(guò)檢測(cè)由絕緣體隔開的兩種導(dǎo)電材料形成的平面表面上的微小電阻變化來(lái)工作。當(dāng)對(duì)一個(gè)表面施加壓力時(shí)，測(cè)得的電阻會(huì)降低。然而，這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于檢測(cè)在 X 和 Y 坐標(biāo)中施加壓力的表面位置，這最終取決于分辨率。模擬電阻接口的最小可檢測(cè)位置通常由表面尺寸、可測(cè)量電阻的絕對(duì)偏移以及用于測(cè)量電阻的 ADC 的分辨率定義，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。

　　向表面上的特定點(diǎn)施加壓力有效地創(chuàng)建了一個(gè)分壓器，可以在 X 軸和 Y 軸上測(cè)量，從而精確定位單個(gè)“接觸”點(diǎn)。然而，這種方法的局限性在于它通常只允許在任何時(shí)候測(cè)量一個(gè)接觸點(diǎn)。隨著人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到多點(diǎn)觸控感應(yīng)的好處，電阻式接口已不再受歡迎，但該技術(shù)仍有一席之地，因?yàn)樗趷毫迎h(huán)境或危險(xiǎn)區(qū)域的操作方面繼續(xù)提供一些好處。

　　當(dāng)然，另一種選擇是電容式觸摸感應(yīng)，它基本上不需要接觸，但需要非常接近導(dǎo)電體，通常是手指。與電阻傳感一樣，該技術(shù)依賴于由絕緣體隔開的兩個(gè)導(dǎo)體，但在這種情況下，絕緣體是自由空氣，第二個(gè)導(dǎo)體是人的手指。

　　消除對(duì)壓力的需求但用接近代替它與電阻技術(shù)相比有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，即能夠操作與任何硬物體的接口。相反，雖然理論上可以使用任何導(dǎo)電物體代替任何固體物體，但它確實(shí)對(duì)操作施加了限制。最值得注意的是，電容式觸摸屏在戴手套時(shí)難以操作，而電阻式界面則可以輕松操作。

　　此外，電容式觸摸感應(yīng)依賴于測(cè)量非常小的電容波動(dòng)，而不是相對(duì)較大且易于檢測(cè)的電阻變化。僅此一項(xiàng)就需要更復(fù)雜（因此可能更昂貴）的解決方案，但在 MCU 內(nèi)核上運(yùn)行的軟件通?？梢晕者@種復(fù)雜性。

　　電容式感應(yīng)的另一個(gè)主要好處是，初級(jí)導(dǎo)體可以很容易地用普通 PCB 軌道復(fù)雜或昂貴的東西來(lái)構(gòu)造，從而可以適應(yīng)各種形狀和尺寸。

　　因此，為任何給定應(yīng)用選擇正確的解決方案并不像選擇最靈活或最復(fù)雜的解決方案（例如電容式感應(yīng)）那么簡(jiǎn)單。最合適的技術(shù)可能是最簡(jiǎn)單的，因此所有選項(xiàng)都值得仔細(xì)評(píng)估。

　　離散解決方案

　　對(duì)觸敏界面的需求導(dǎo)致了一系列專用設(shè)備的開發(fā)，通常針對(duì)可以說(shuō)是更復(fù)雜的技術(shù)，即電容感應(yīng)。一個(gè)例子是 Atmel 的 QTouch 系列專用設(shè)備，其中包括QT1481. 該器件旨在支持矩陣布局，并集成了在大多數(shù)條件下提供穩(wěn)定感測(cè)所需的所有信號(hào)處理，即使在使用單面 PCB 時(shí)也是如此。這種相對(duì)較小的設(shè)備（44 針）最多可容納 48 個(gè)不同形狀和大小的按鍵。它采用了 Atmel 的“QT”技術(shù)，該技術(shù)使用一種稱為橫向電荷轉(zhuǎn)移的技術(shù)。這通過(guò)使用脈沖邊沿檢測(cè)強(qiáng)制通過(guò)兩個(gè)電極的電荷變化來(lái)發(fā)揮作用。由于可以使用 GPIO 模擬該技術(shù)，因此可以使用 Atmel 的 QTouch 軟件庫(kù)在該公司的許多 MCU 設(shè)備（包括UC3A和UC3B系列）中實(shí)現(xiàn)它。

　　傳統(tǒng)解決方案

　　如前所述，電容式感應(yīng)并不總是最合適的解決方案，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的電阻式觸摸感應(yīng)可能仍然是最合適的技術(shù)。仍然存在解決方案來(lái)滿足這一需求，同時(shí)提供一些獨(dú)特的功能。一個(gè)很好的例子是Cirrus Logic的EP9315系列 MCU ，它集成了對(duì)電阻式觸摸界面的支持。 這個(gè)成熟的系列基于 ARM920T 內(nèi)核，能夠支持 Linux 和 Windows CE 操作系統(tǒng)，而該系列中的一些變體具有數(shù)學(xué)協(xié)處理器和圖形加速器——這些特性使其與最新的產(chǎn)品處于同一級(jí)別基于 ARM? 現(xiàn)在無(wú)處不在的 Cortex? 系列處理器內(nèi)核的 MCU。

　　該器件采用基于硬件的模擬電阻式觸摸屏控制器引擎，可控制采樣、平均、范圍檢查和掃描模式。雖然引擎執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)接口的所有必要功能，但也可以繞過(guò)引擎并使用 ARM 內(nèi)核來(lái)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的掃描算法。

　　電容式接口

　　雖然電阻式觸摸感應(yīng)在許多應(yīng)用中仍然發(fā)揮作用，但許多開發(fā)人員正在尋求實(shí)現(xiàn)的是多點(diǎn)觸控電容式感應(yīng)所提供的靈活性和功能。

　　除了能夠?qū)⒍帱c(diǎn)觸控感應(yīng)集成到顯示器中外，電容感應(yīng)還能夠?qū)⒂脩艨丶砑拥皆S多非透射表面，從而允許在已疊印的玻璃、陶瓷或塑料面板中實(shí)施控件提供傳說(shuō)和指導(dǎo)。這意味著幾乎任何表面都可以變成耐用的界面，用于消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用。

　　實(shí)現(xiàn)電容感應(yīng)的硬件和軟件方法可能因制造商而異，但通常會(huì)使用振蕩器，因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/microchip/" target="_blank">Microchip 的mTouch 技術(shù)已在其PIC16F系列中實(shí)現(xiàn)。

　　電容感應(yīng)振蕩器產(chǎn)生一個(gè)三角波形，交替提供或吸收電流。由電容波動(dòng)引起的頻率變化在軟件中檢測(cè)，基于兩個(gè)定時(shí)器，這兩個(gè)定時(shí)器也在振蕩器的控制之下。當(dāng)引入電容負(fù)載時(shí)，例如手指，電容感應(yīng)振蕩器的頻率會(huì)降低。添加模擬多路復(fù)用器意味著硬件可以支持多達(dá)十二個(gè)單獨(dú)的電容輸入。

　　圖 1：PIC16F 系列中的 Microchip 電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)。

　　Microchip 最近開發(fā)了一種獨(dú)立設(shè)備，該設(shè)備使用更復(fù)雜的投射電容感應(yīng)形式來(lái)識(shí)別三個(gè)維度的手勢(shì)，距離電極（PCB 軌道）最遠(yuǎn)可達(dá) 15 厘米。預(yù)計(jì)這將創(chuàng)建大量新的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可能會(huì)利用更自然的手勢(shì)來(lái)控制設(shè)備和設(shè)備。

　　隨著 MCU 的角色不斷被重新定義，它們的定義也在不斷被重新定義，一個(gè)很好的例子就是PSoCCypress Semiconductor 的可編程片上系統(tǒng)器件系列。在這個(gè)范圍內(nèi)有三個(gè)主要的變體，主要由所采用的處理核心來(lái)區(qū)分。在 PSoC1 系列中，內(nèi)核是 8 位 M8C 內(nèi)核；在 PSoC3 系列中，使用的內(nèi)核是 8 位 8051；而在 PSoC5 中，內(nèi)核是 32 位 ARM Cortex-M3。

　　在每種情況下，內(nèi)核都通過(guò)可配置的硬件架構(gòu)來(lái)增強(qiáng)，該架構(gòu)能夠使用模擬和數(shù)字模塊實(shí)現(xiàn)軟件定義的外設(shè)。這種靈活性允許大量可配置性，主要由賽普拉斯半導(dǎo)體的集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） “PSoC Creator”控制。

　　通過(guò)此 IDE，電容感應(yīng)功能可輕松配置和優(yōu)化，并且與軟件庫(kù)結(jié)合使用時(shí)，可用于實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用的觸摸感應(yīng)解決方案。

　　圖 2：使用 Cypress Semiconductor 的 PSoC Creator IDE 配置 PSoC3 和 5 系列。

　　一般來(lái)說(shuō)，觸摸感應(yīng)以及電容感應(yīng)現(xiàn)在可以被認(rèn)為是地方性的，雖然它可以使用相對(duì)通用的硬件功能和大致簡(jiǎn)潔的軟件算法在許多 MCU 中實(shí)現(xiàn)，但制造商將繼續(xù)開發(fā)差異化解決方案的方法。

　　Silicon Labs認(rèn)為這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域非常重要，可以開發(fā)特定的解決方案，例如C8051F系列。該系列被 Silicon Labs 描述為電容式觸控感應(yīng) MCU；它們基于高性能 8051 內(nèi)核，但專門針對(duì)觸摸感應(yīng)應(yīng)用。這一點(diǎn)在功能集上很明顯，其中包括一個(gè)能夠自主運(yùn)行到 CPU 的 16 位逐次逼近轉(zhuǎn)換器。

　　Silicon Labs 該系列 MCU 的最新成員是 Precision32 系列，它基于 ARM 的 Cortex-M3 內(nèi)核，以SiM3系列為例。這提供了更高的處理性能并采用了 Silicon Labs 的“電容到數(shù)字”轉(zhuǎn)換技術(shù)。

　　在這兩個(gè)系列中，轉(zhuǎn)換過(guò)程都可以由內(nèi)部和外部的多個(gè)來(lái)源啟動(dòng)，并且可以支持多達(dá) 16 個(gè)通道。在 SiM3C1xx 中，器件有四種可用的操作模式，單次轉(zhuǎn)換、單次掃描、連續(xù)單次轉(zhuǎn)換和連續(xù)掃描。自動(dòng)累加模式取多個(gè)樣本的平均值。

　　圖 3：Silicon Labs 的 Precision32 系列將 ARM Cortex-M3 內(nèi)核與觸摸感應(yīng)硬件相結(jié)合。

　　結(jié)論

　　用戶界面在不斷發(fā)展，盡管簡(jiǎn)單的單刀雙擲開關(guān)可能仍然是最容易實(shí)現(xiàn)的，但 MCU 固有的靈活性意味著隨著它們的發(fā)展，我們的用戶界面的復(fù)雜性也將如此。

　　如今，電容式觸摸感應(yīng)在許多應(yīng)用中取代了電阻式，但兩者都有其一席之地，并將繼續(xù)在適當(dāng)?shù)牡胤竭M(jìn)行設(shè)計(jì)。未來(lái)的技術(shù)有望在觸摸感應(yīng)方面實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性，這將進(jìn)一步推動(dòng)這一基礎(chǔ)但使能的技術(shù)進(jìn)入更多樣化的應(yīng)用。