在触摸屏的设计中嵌入电容性触摸按键、滑块和滑轮

www.ed-china.com www.ed-china.com 在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中嵌入电容性触摸按键、滑块和滑轮 作者：Ramaprasad Subramanian 高级软件工程师 Atmel 无论是移动电话和 PDA 等便携式消费电子产品，还是汽车、厨房电器、医疗设 备以及工业和商业感测应用，基于直观式电容性触摸技术的解决方案都是这些 领域的首选人机界面。稳健可靠的电容性触摸解决方案正在取代传统的电阻性 滑块、机械按键和旋转控制装置。 基于电荷转移的电容性触摸捕获技术 基于“电荷转移”的电容性触摸捕获可采用下列两种方法来实现。 第一种方案是将一个电容未知的感测电极充电至已知电势。该电极通常是 PCB 板上的一块铜区域。最终电荷会被转移到一个测量电路。在完成一个或多个“充 电与转移”周期后对电荷进行测量，可以确定感测板的电容。把手指放在触摸 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面会产生外部电容，因而影响接触点的电荷流。这就是一个触摸操作。 第二种方案采用了一对感测电极：一个是发射电极，由逻辑脉冲电荷以间歇模 式来驱动；另一个是接收电极，经由覆盖板电介质与发射极耦合。当手指触摸 覆盖板时，场耦合减小，触摸因此被检测到。这种驱动、接收和处理逻辑被内 置在微控制器(MCU)中，故只需极少的外部组件。 两种方案都有其独特的优势，分别适合特定的应用。 www.ed-china.com 图 1： 电荷转移电容性测量。 触摸功能 来自基于“电荷转移”的电容性触摸捕获方案的触摸功能可以分为触摸屏、触摸 按键、滑块和滑轮。 触摸屏功能支持无限次数的触摸，极大地改善了用户体验，并改变了用户与电 子产品的交互方式。内置的手势以及能够忽略无意识操作使得用户界面既直观 又可靠。触摸屏能够识别手写笔、指甲和手套的触摸，为手持设备提供了简便 的文本输入方式。 触摸按键、滑块和滑轮一般适用于单个用户触摸，并采用算法来确定触摸状态 和位置，它与信号强度无关，这一特性使得触摸检测精确可靠。触摸按键、滑 块和滑轮功能可以两种方式集成在产品设计中：固定功能器件方案；MCU 触摸 软件库(Touch library)方案。 www.ed-china.com www.ed-china.com Capacitive Touch Applications Touch Screens Buttons, Sliders and Wheels Fixed-function devices Touch Library General purpose MCU Host MCU with integrated touch hardware Application specific MCU 图 2：电容性触摸应用。 开发人员按不同产品设计的具体要求来选择所需的触摸功能和解决方案。 触摸按键、滑块和滑轮的典型使用环境见下表。 产品设 计要求 电容性 接近按键 (Proximity key) 电容性触摸按 键 电容性触摸滑块 电容性触摸滑轮 使用案 例 接近按键一般 用于用户存在 检测 (user presence detection)。选 定后，蓝牙耳 机或电视机遥 控器即可自动 开启。 电容性触摸按 键是分立式触 摸按键，例如 媒体播放器上 的播放/暂停按 键就是一个简 单的使用案 例。 电容性触摸滑块 取代可变电阻滑 块。在媒体播放 器中通常用于音 量控制。 电容性触摸滑轮 取代旋转开关。 常见使用案例是 媒体播放器滚动 选曲。 www.ed-china.com www.ed-china.com 典型的电容性触摸传感器通过各个通道连接至 MCU。图 3 所示为使用一个通道 的接近按键传感器、使用一个通道的触摸按键传感器和使用一组三个通道的滑 块/滑轮传感器。MCU 端口引脚可用作触摸传感器通道引脚。 channel 1 channel 1channel 4 channel 3 channel 2 channel 5 channel 6 channel 7 channel 0 Touch button sensor using one channel. Touch Slider sensor formed using three channels. Touch wheel sensor formed using three channels. A sensor can be a proximity key, touch button, slider or a wheel. A channel can be a dedicated microcontroller pin or a user configurable GPIO pin. Proximity sensor using one channel. Touch button sensor using one channel. Touch Slider sensor formed using three channels. Touch wheel sensor formed using three channels. A sensor can be a proximity key, touch button, slider or a wheel. A channel can be a dedicated microcontroller pin or a user configurable GPIO pin. Proximity sensor using one channel. Touch button sensor using one channel. Touch Slider sensor formed using three channels. Touch wheel sensor formed using three channels. A sensor can be a proximity key, touch button, slider or a wheel. A channel can be a dedicated microcontroller pin or a user configurable GPIO pin. Proximity sensor using one channel. Touch button sensor using one channel. Touch Slider sensor formed using three channels. Touch wheel sensor formed using three channels. A sensor can be a proximity key, touch button, slider or a wheel. A channel can be a dedicated microcontroller pin or a user configurable port pin. Proximity sensor using one channel. MCU 图 3：触摸感测接口。 固定功能器件方案 目前市场上提供的解决方案之一是固定功能触摸器件，所谓“固定功能”是指一 组只用于处理触摸传感器的器件。因此，固定功能器件就是一种专用的触摸微 控制器解决方案。固定功能触摸器件可提供单通道或多通道支持，其触摸传感 器排列通常是按照用作按键、滑块、滑轮还是这些功能的固定组合而预先配置 好的。 固定功能器件一般会利用串行接口来向主微控制器更新触摸状态信息，该接口 通常是一个 I2C 兼容接口。或是采用 SPI、USART 和位触发(bit banging)等其它 接口技术。固定功能器件的触摸状态 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 往往包括接近按键或触摸按键的开关 (ON/OFF)状态，滑块的线性触摸定位值，以及滑轮的触摸角度定位值。 www.ed-china.com www.ed-china.com Fixed function device Main task to process touch & report Touch status information to Host MCU. Pre-configured touch sensors arrangement. Fixed combination of touch buttons, slider & wheel is only possible by a given device . Pre-configured Host MCU touch status reporting arrangement. Serial communication interface or strobe/pulse arrangement. 图 4：固定功能触摸 MCU 解决方案。 此外，固定功能触摸器件还具有一项额外的功能，即器件引脚上可输出频闪和 脉冲来显示某种结果，而无需采用串行接口。这意味着按键的开关状态或滑 块、滑轮的位置信息并非固定功能触摸器件唯一的输出信息。而对这些数据进 行二级处理而获得的二级数据输出，可以满足应用的需求。例如，在电器的功 率控制中，触摸按键状态信息可以转换为一个经过编程的自动关断延时，以触 发脉冲的形式输出到器件的某个引脚上，最后关断电器。 固定功能器件的特性如下：是可用的电容性触摸解决方案；固定功能微控制器 可带有在出厂已编程的固件；相比微控制器触摸软件库方案，把固定功能方案 集成到产品设计中所需的工作量比较小；输出接口和传感器排列方面的用户可 配置性有限；因为是由主微控制器完成主要的应用任务，而加入固定功能触摸 器件旨在增加电容性触摸支持，所以这种方案需要在设计中加入额外的微控制 器。 Custom code Compiler Link Touch Library Application 图 5：触摸软件库解决方案。 微控制器触摸软件库方案 触摸软件库为用户提供了一组他们所期待的触摸按键、滑块和滑轮功能，这些 功能可连接到固件中，为设计项目提供触摸感测能力。基于“电荷转移”的触摸 捕获技术利用常见的片上硬件来处理触摸传感器，为通用微控制器中的电容性 www.ed-china.com www.ed-china.com 触摸支持提供便利。微控制器供应商能够通过 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 微控制器产品系列来支持这 种解决方案，从而为产品设计人员提供了使用现成触摸解决方案的机会。 General purpose MCU User Application User defined touch sensors arrangement. User defined touch status reporting arrangement. Touch Library 图 6：通用 MCU 触摸软件库解决方案。 触摸软件库微控制器解决方案较固定功能器件方案为硬件和固件设计提供更大 的灵活性。利用触摸软件库 API，用户能够实现任何所需的传感器定制配置。 此外，触摸软件库还能让用户可以很方便地按照自己的意愿选择一组端口引 脚，用作所选标准微控制器上的触摸传感器通道。同时，触摸处理现在已可成 为主要用户应用任务的一环了。 触摸软件库MCU解决方案提供的这种用户配置能力，对于升级现有设计和增加 电容性触摸功能性相当有用。现有设计中的通用微控制器可以复用。利用触摸 软件库，便可重新配置在目前设计中用于机械按键、滑块或滑轮的端口引脚， 从而支持电容性触摸。这时，熟知微控制器的使用，了解相关微控制器工具的 用法就成了一大增值优势。因此，触摸软件库可用来为众多控制应用开发单芯 片解决方案，或者在比较复杂的应用产品中减少芯片数目。 Application specific MCU Automotive CAN/LIN, USB, LCD, Wireless User Application Touch Library Host MCU with integrated Touch hardware User Application Touch Library On-chip Touch Hardware 图 7：专用微控制器及主 MCU 触摸软件库解决方案。 触摸软件库解决方案所延伸出的一个有意思的优点，是可用于专用微控制器。 例如，汽车、无线、LCD 和 USB MCU 都有专用的微控制器产品系列。基于“电 www.ed-china.com www.ed-china.com 荷转移”捕获的触摸软件库能够让这些微控制器实现电容性触摸功能，从而开辟 了新的产品设计途径。 最后，许多产品采用一个主微控制器和一个专用控制器来实现触摸功能性。由 于触摸功能性被集成到主微控制器中，故板空间和产品成本得以减少。在这种 主微控制器案例中，只要利用触摸软件库，片上触摸硬件的软件开销便可被降 至最低。 以下是采用基于触摸软件库的微控制器解决方案的一些考虑事项：用于开发触 摸应用的免权益金软件库；按键数对芯片引脚数效率，即支持一定触摸传感器 数所需的微控制器引脚数随选择的测量电容的“电荷转移”方案不同而变化；触 摸软件库代码存储和数据存储消耗；触摸软件库的处理器MIPS消耗；触摸传感 器处理所需的片上外设资源。 实现触摸支持的辅助 PC 软件工具 固定功能器件和触摸软件库解决方案可提供调试信息，让用户实时监控触摸传 感器的相关数据。触摸传感器电容性测量中的信号、参考值和增量值等信息以 及开关(ON/OFF)状态和位置信息，都可通过一个串行调试接口来传送。用户能 够利用 PC 软件工具获得这种调试信息，用于监控传感器功能性和调节某些传感 器参数，以优化触摸性能。 图 8：MCU 触摸软件库评测平台。 www.ed-china.com www.ed-china.com 本文小结 总之，对于基于微控制器的电容性触摸解决方案，产品设计人员的选择范围很 广。固定功能器件为用户提供了一种随时可用的电容性触摸解决方案；而触摸 软件库则为用户提供了基于通用、专用和主微控制器的可定制触摸功能，以满 足不同应用领域的产品需求。PC 软件工具有助于触摸技术的集成，能够极大地 简化其实现。 图 9：PC 软件工具辅助触摸调试。 参考资料 1. Atmel Touch Library http://www.avrtv.com/2009/01/27/atmel-touch-library/ www.ed-china.com www.ed-china.com www.ed-china.com 2. Getting in touch with capacitance sensor algorithms, John Carey, Atmel http://www.embedded.com/design/testissue/219500393 3. Advanced Touch Interface Drivers Enable New User Applications, Christopher Ard & Dr. Gaute Myklebust, Atmel http://www.embedded.com/columns/technicalinsights/217900004?_requestid=123349 4. Atmel Touch solutions overview http://www.atmel.com/products/bsw/default.asp 在设计中嵌入电容性触摸按键、滑块和滑轮