Microchip基于ATTINY1616的觸摸感應(yīng)設(shè)計方案

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，辦公室的筆記本、臺式機，還是手中的手機、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。在市場瞬息萬變的今天，我們迫切需要一種觸摸感應(yīng)設(shè)計，它操作簡單，并在很短的時間內(nèi)就可以完成。本方案以Microchip ATTINY1616為例，介紹如何方便、靈活地實現(xiàn)觸摸按鍵、滑條的設(shè)計。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)，如果您對互電容也比較感興趣，請與大聯(lián)大品佳當?shù)剞k事處聯(lián)系。簡單而言，電容感應(yīng)原理就是檢測Sensor電容的變化。Sensor（電容式按鍵和滑條）就是PCB上的鋪銅，Sensor和地之間會有一個寄生電容Cp，當觸摸發(fā)生時，會再形成一個電容，稱作手指電容Cf， 這時候總的電容就變?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現(xiàn)觸摸按鍵、滑條、滾輪等設(shè)計。

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于電路GND網(wǎng)絡(luò)，測量傳感器電極對GND電容變化。

抗噪設(shè)計

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，比如對講機、手機、電機、熒光燈、插座等。差模噪聲會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，對于設(shè)計人員來說更有挑戰(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，可以通過硬件設(shè)計+軟件調(diào)試實現(xiàn)。

防水設(shè)計

防水設(shè)計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，都會對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+來實現(xiàn)防水設(shè)計。

硬件設(shè)計

硬件設(shè)計的時候請注意面板不能是導(dǎo)電的！需要確認其成分！如果摻雜了“微量”金屬，一定要取得材料提前測試！要讓所有項目參與者了解，尤其是采購！

PCB Layout注意事項如下：

走線盡量細。尤其是信號接收線。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。線長控制在150mm以內(nèi)。

透明材料有一個方阻的概念。而且阻值比較高（高的有Kohm級別）。在布線的時候時刻要注意用銀漿線降低阻抗。

對于互容設(shè)計，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。

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。

如果結(jié)構(gòu)上實在沒有辦法搞定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板進線處。

如果通過接口轉(zhuǎn)接，接口要盡量靠近芯片擺放。

盡量遠離電源線/地線/其他信號線，尤其是大電流的高速切換信號線，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。

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

軟件設(shè)計

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

本文以Atmel Studio為例進行設(shè)計。Microchip MCU的優(yōu)勢之一就是集成了CIP（獨立于內(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，提供用于電容式觸摸測量的內(nèi)置硬件。 PTC 支持互電容和自電容測量，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，并且對參數(shù)進行調(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到觸摸存在時數(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（對應(yīng)開發(fā)環(huán)境MPLAB-X-IDE）或ATATMEL-ICE（對應(yīng)開發(fā)環(huán)境Atmel Studio）。

編輯：hfy