Микросхемы Atmel и Cypress для построения сенсорных клавиатур

Сенсорные элементы управления, несмотря на кажущуюся сложность реализации и более высокую стоимость, на самом деле могут оказаться существенно проще и дешевле механических кнопок. Надежность и долговечность их значительно выше, чем у механических или пленочных клавиатур.
Немаловажный фактор — это внешний дизайн устройства, будь то мобильный телефон, микроволновая печь или панель управления автомобилем. Во многих приложениях сенсоры позволяют решить конструктивные и дизайнерские задачи по размещению органов управления, чтобы одновременно обеспечить эргономичность и привлекательный внешний вид для потребителя. Последний фактор является немаловажным для успешного продвижения товара, и он может значительно повысить интерес потребителей к новому изделию.
Кроме того, существует ряд приложений, где физически невозможно использовать механические кнопки. В качестве примера представим, что необходимо решить задачу по реализации пульта дистанционного управления автомобильным музыкальным центром. Одно из возможных и удобных мест для размещения органов управления — поверхность рулевого колеса. В настоящее время она не используется, т.к. на ней распологается подушка безопасности. Но такую задачу можно решить с помощью емкостных сенсоров, а печатную плату реализовать на гибкой пленке из полиэтилентерефталата (PET) или полиамида (см. рис. 1).

Рис. 1. Пример гибкой печатной платы

Применение сенсоров позволяет существенно повысить эргономичность интерфейса. Используя слайдер, можно реализовать удобное управление стеклоподъемниками — например автоматическое открытие стекла на необходимый уровень при нажатии на определенную зону слайдера.
Многие производители электронных компонентов предлагают решения на базе специализированных кристаллов или алгоритмов, адаптированных к схемотехнике выпускаемых ими микросхем. Во втором случае получила распространение схема детектирования изменения емкости электрода на базе релаксационного генератора. Например, такую схему можно реализовать на базе микроконтроллеров Silicon Labs или на базе микросхем программируемой логики MAX IIZ фирмы Altera. Схема реализации детектора касания для ПЛИС приведена на рисунке 2. Она не требует дополнительных внешних компонентов, емкостной сенсор (touch switch) выполняется в виде контактной площадки определенных размеров на печатной плате. Схема на базе релаксационного генератора проста для реализации, но обладает существенным недостатком — низкой помехозащищенностью, что является прямым следствием высокоимпедансного входа. Недостатки таких реализаций компенсируются возможностью добавления в проект одной-двух сенсорных кнопок, если условия эксплуатации разрабатываемого изделия не предполагают внешних паразитных воздействий.

Рис. 2. Реализация сенсорной кнопки на базе ПЛИС MAX IIZ

Условия эксплуатации чаще всего далеки от идеальных. Возвращаясь к описанным выше примерам стеклоподъемника или дистанционного управления автомагнитолой, а также занимаясь разработкой приборов, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности (стиральные машины, бытовые плиты), при выборе контроллера для работы с емкостными сенсорами стоит обратить внимание на специализированные решения. Мировыми лидерами в данной области являются компании Cypress и Atmel (Quantum). Их решения нашли применение в мобильной, бытовой технике многих крупных производителей. Технологии, используемые компаниями Cypress и Atmel в своих контроллерах, позволяют обеспечить высокую помехозащищенность, оптимальную для рассматриваемых приложений чувствительность и электромагнитную совместимость.
Начнем с новинок этого года — микросхем Atmel семейства QTouch^TM и QMatrix^TM. В их основу положены хорошо зарекомендовавшие себя решения компании Quantum, существующие на рынке уже более 10 лет. Контроллеры сенсорных интерфейсов Quantum были реализованы на базе МК Atmel — Tiny и Mega.
В основу контроллера AT42QT2160 положена технология QMatrixTM. Его функциональная схема приведена на рисунке 3. Рассмотрим принцип ее работы. Каждая кнопка (емкостной сенсор) состоит из излучающего и приемного электродов. На излучающий электрод подается пачка импульсов, и в нормальном состоянии (без касаний) приемный электрод накапливает большую часть заряда, переданного через диэлектрическое покрытие. Далее этот заряд перераспределяется между приемным электродом и накапливающим конденсатором. Измеряемым параметром в данной системе является время разряда накапливающего конденсатора. При приближении объекта (пальца) к кнопке происходит изменение электрического поля и, как следствие, уменьшение заряда и времени разряда накапливающего конденсатора.

Рис. 3. Функциональная схема контроллера QMatrixTM

Из плюсов данной технологии можно отметить «встроенную» защиту от ложных срабатываний, вызванных наличием водяной пленки (конденсат, туман, капли) на поверхности клавиатуры. Водяная капля может оказывать различное влияние на емкость сенсора, что зависит от ее размера и положения относительно электродов сенсора и земли печатной платы. В случае если водяная пленка локализована в пределах сенсора, ее влияние увеличивает переносимый заряд, который при прикосновении пальца уменьшается. Наличие пленки или капли воды в пределах сенсора не приводит к ложным срабатываниям. Обратную реакцию вызывают протяженные водяные пленки, наличие которых может привести к уменьшению перенесенного заряда и, как следствие, к ложному срабатыванию. В данном случае водяная пленка может рассматриваться как распределенная RC-цепь, которая отводит часть заряда от приемного электрода. Для уменьшения влияния таких воздействий вводится короткий интервал времени (narrow gate times), следующий сразу за передним фронтом первого импульса пачки. В это время накопление заряда на приемном электроде не происходит. Исключая из измерений данный момент времени, можно существенно минимизировать влияние подобной водяной пленки.
Следующая функция, особенно важная для мобильных приложений с небольшими сенсорными клавиатурами, — однозначность определения нажатой кнопки. При касании пальцем определенной кнопки можно коснуться рядом расположенных с нею сенсоров. Чтобы избежать неоднозначности определения, в микросхемах Atmel введена функция AKS™ (Adjacent Key Suppression™). В микросхемах серии QMatrixTM кнопки объединяются в три группы. Внутри каждой из них только одна кнопка может иметь статус нажатой. Таковой является кнопка, от которой получен наибольший отклик. Все остальные кнопки будут неактивны до тех пор, пока нажатая не изменит свое состояние. При необходимости эту функцию можно отключить для любой из кнопок или для всех. Функция AKS™ не применима, если кнопки образуют слайдер.
В AT42QT2160 предусмотрена возможность повышения помехозащищенности (Burst Repetition). Результаты измерений, полученные за несколько циклов, усредняются. В результате усреднения отфильтровываются случайные помехи. Количество циклов может изменяться в пределах 1…63. Увеличение этого значения ведет к лучшей фильтрации. В то же время увеличивается время опроса. Необходимо соблюдать баланс между максимально допустимым временем опроса и эффективностью фильтрации.
Программная настройка чувствительности кнопок производится за счет изменения уровня порога обнаружения (Negative Threshold) и/или количества имульсов в пачке (Burst Length). Настройка чувствительности требуется в процессе разработки на этапе выбора материала внешнего покрытия и размеров электродов. При увеличении порога обнаружения уменьшается чувствительность. Использование толстых покрытий или сенсоров небольшого размера может потребовать уменьшения чувствительности. Важно помнить, что при снижении значения данного параметра возрастает вероятность ложных срабатываний, которые могут вызываться внешними электромагнитными помехами, водяной пленкой и т.д. Изменение количества импульсов в пачке влияет на величину накапливаемого заряда — увеличение значения ведет к увеличению заряда и, следовательно, к увеличению чувствительности. Большее значение приводит к увеличению времени сканирования и уровня излучаемых электромагнитных помех. Для каждого конкретного значения необходимо выбирать оптимальное соотношение этих двух величин исходя из изложенного выше.
Контроллер AT42QT1060 семейства QTouchTM — вторая новинка от Atmel. Принцип его работы заключается в том, что сенсор или электрод (см. рис. 4) неизвестной емкости заряжается до определенного потенциала с последующим измерением накопленного заряда. Чувствительная поверхность может быть любой — от площадки на печатной плате до оптически прозрачного участка In-SnO2 на поверхности сенсорного дисплея. Измеряя заряд этой поверхности после одного или нескольких циклов заряда/переноса, контроллер определяет емкость чувствительной поверхности. При касании изменяется емкость, что и детектируется как нажатие кнопки.

Рис. 4. Принцип работы контроллера QTouchTM

По сравнению с контроллером AT42QT2160 семейства QMatrixTM, AT42QT1060 имеет следующие отличия.
Число реализуемых кнопок может быть от двух до шести. При использовании микросхемы AT42QT2160 можно реализовать до 16 сенсоров. Количество линий ввода/вывода в AT42QT1060 увеличено до семи, в отличие от трех линий у AT42QT2160.
Контроллер AT42QT1060 может работать автономно и под управлением внешнего устройства через интерфейс IIC. AT42QT2160 работает только под управлением внешнего управляющего устройства. В автономном режиме контроллер QTouchTM использует настройки по умолчанию и, соответственно, не все возможные режимы работы доступны.
Настройка чувствительности сенсоров в AT42QT1060 производится только за счет изменения порога обнаружения. Количество имульсов в пачке в этом контроллере определяется внутренним алгоритмом работы.
Защита от одиночных импульсных и случайных помех в AT42QT1060 включает только алгоритм интегрирования (Detect Integrator), аналогичный используемому в AT42QT2160. Метод заключается в том, что кнопка считается нажатой при достижении заданного количества последовательных срабатываний. Функция Burst Repetition в AT42QT1060 не используется.
Защита от случайного срабатывания соседних сенсоров (AKS™) реализована аналогично в обеих микросхемах, т.е. нажатым считается тот сенсор, сигнал от которого в данный момент является наибольшим. В дополнение к технологии AKS™, в AT42QT1060 имеется возможность реализации специального защитного сенсора (guard channel, guard electrode). Такой электрод должен иметь большие размеры и, следовательно, большую чувствительность по сравнению с сенсорами, выполняющими функцию кнопок. Любое воздействие на данный электрод запрещает срабатывание функциональных сенсоров. Таким образом реализуется защита от случайного нажатия (например, исключение ложных срабатываний клавиатуры мобильного телефона во время разговора). Пример реализации такого электрода приведен на рисунке 5.

Рис. 5. Пример реализации защитного электрода

Компания Cypress предлагает четыре семейства МК, которые адаптированы (CY8C24x94, CY8C21x34) или специально разработаны (CY8C20x34, CY8C20xxx) для использования в приложениях с сенсорными интерфейсами.
Рассмотрим основные отличия представленных семейств. Контроллеры серий CY8C20x34 и CY8C20xxx разработаны с учетом требований технологии CapSense. Эти семейства имеют наименьшее из рассматриваемых контроллеров Cypress энергопотребление и наименьшую восприимчивость к наводимым помехам в диапазоне 800 МГц и 1,9 ГГц. Микросхемы семейства можно рекомендовать для использования в мобильных приложениях (например, в радиопередающих устройствах или сотовых телефонах). Программная поддержка технологии CapSense для этого семейства реализована в пользовательском модуле CSA. Контроллеры семейств CY8C21x34 и CY8C24x94 являются универсальными, их аналоговые и цифровые блоки можно сконфигурировать для решения широкого круга задач, отличных от CapSense. Программная поддержка технологии CapSense для контроллеров этих серий реализована в пользовательских модулях CSD и CSR (последний не рекомендован для использования в новых проектах). Контроллер CY8C24x94 содержит также аппаратный блок USB с поддержкой скорости обмена 12 Мбит/c (full-speed). На базе аналоговых модулей можно реализовать блоки АЦП, ЦАП, полосовые, низкочастотные и режекторные фильтры, усилители и компараторы. На основе цифровых модулей — таймеры, счетчики, коммуникационные интерфейсы, генераторы псевдослучайных последовательностей и ШИМ. Существенным отличием этих семейств от ИС CY8C20x34 является возможность подключения экрана Shield Electrode, который обеспечивает защиту от ложных срабатываний при наличии на сенсорной панели капель или тонкой пленки влаги. Поддержка такого режима реализована в пользовательском модуле CSD. С принципами работы и процессом проектирования и отладки приложений на базе контроллеров Cypress CapSense можно познакомиться в статье [2].
Подробнее рассмотрим новое семейство контроллеров CapSense Express CY8C20xxx. Микросхемы данного семейства используют алгоритм CSA (Successive Approximation), аналогичный используемому в ИС CY8C20x34 и соответственно обладают всеми описанными выше характеристиками. Процесс разработки приложения на базе этой ИС не требует досконального изучения микроконтроллера, владения языками программирования. Конфигурация и отладка приложения ведется на базе визуальной среды разработки PSoC Express. Выводы контроллеров можно сконфигурировать как входы для подключения сенсоров или как входы/выходы общего назначения. Последние могут служить для управления светодиодами, для вывода контроллера из спящего режима или любых других функций. Внутренние регистры контроллера доступны через интерфейс IIC. С их помощью все параметры, заданные в PSoC Express, можно изменить или скорректировать в процессе работы. Микросхемы серии CapSense Express сравнимы по функциональным возможностям с AT42QT1060. Основной сферой их применения могут быть потребительские приложения (домашние аудио-, видеопроигрыватели, дистанционные пульты управления, бытовые осветительные приборы и т.д.).
Если рассматривать применение той или иной сенсорной технологии мировыми производителями, то в настоящее время складывается следующая ситуация. На рынках потребительских изделий (аудио, видео и т.д.), мобильных приложений и персональных компьютеров используются решения различных производителей. В основной своей массе приложения такого рода ориентированы на эксплуатацию в жилых помещениях. В этих условиях задачи по защите от влаги или наводимых электромагнитных помех не являются приоритетными. Исключением является мобильная техника. В этом приложении существенную роль могут сыграть функция AKS™, возможность реализации защитного электрода микросхем Atmel или их программная реализация в контроллерах Cypress. Дополнительно к этому в контроллерах Cypress семейств CY8C21x34 и CY8C24x94 имеется возможность подключения экрана (shield electrode), который дополнительно мимнимизирует влияние попавшей на клавиатуру влаги.
На рынке бытовой техники (холодильники, стиральные, посудомоечные машины) получили наибольшее распространение решения Cypress. В этом сегменте решения Cypress и Atmel конкурируют друг с другом на равных. При выборе решения того или иного производителя стоит помнить, что МК CapSense Cypress обладают большими функциональными возможностями и на их базе можно реализовать законченное устройство. Например, на контроллерах серии CY8C24x94 дополнительно к функции управления сенсорной клавиатурой можно реализовать аналоговые блоки (АЦП, ЦАП, компараторы или усилители), цифровые (счетчики, таймеры, ШИМ и т.д.) и различные интерфейсы (USB, UART, SPI, IIC).
Автомобильный рынок является перспективным для производителей контроллеров сенсорных интерфейсов. Из существующих стандартных решений только контроллеры серии CY8C21x34 производства Cypress сертифицированы для использования в автомобильной технике.
В заключение отметим еще раз, что современные сенсорные кнопки являются реальными конкурентами для существующих электромеханических решений, в т.ч. и по стоимости. Микросхемы Cypress и Atmel предоставляют разработчику широкие возможности для реализации интерфейса ввода информации в каждом конкретном приложении.