電容式觸摸按鍵的按鍵擴(kuò)展方法_圖文

1、 Application ReportZHCA078 February 2010 1電容式觸摸按鍵的按鍵擴(kuò)展方法俞詩鯤 Semi/AEC/MSP430摘要基于MSP430的觸摸式傳感器采用張馳振蕩技術(shù),兼具超低功耗和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),為廣大方案設(shè)計(jì)商所青睞.如今,越來越多的產(chǎn)品開始采用觸摸式傳感器,所需按鍵的數(shù)量也隨之上升.但是MSP430受限于內(nèi)置比較器的輸入端口數(shù)量,只能直接支持6個(gè)按鍵.在這篇應(yīng)用文檔中,我們將介紹兩種擴(kuò)展按鍵數(shù)量的方法,同時(shí)提供一種更高效按鍵檢測算法, 以利于在多按鍵應(yīng)用中縮短檢測時(shí)間.目錄1. 觸摸式應(yīng)用要求更多的按鍵.2 2. 基于MSP430的張馳振蕩觸摸按鍵方

2、案簡介.2 3. 擴(kuò)展按鍵方法 (33.1 口線復(fù)用 (43.2 使用外部I/O 擴(kuò)展芯片.6 4. 改進(jìn)的檢測技術(shù).8 5. 總結(jié).10 6. 參考文獻(xiàn). (11圖表圖1. 基于MSP430的張馳振蕩觸摸按鍵原理.2 圖2. 振蕩頻率計(jì)算原理.3 圖3. 口線復(fù)用擴(kuò)展方法.4 圖4. 靈敏度受按鍵大小影響.5 圖5. 使用口線復(fù)用方式設(shè)計(jì)的觸摸式滑動(dòng)條.5 圖6. 口線復(fù)用方式下的按鍵走線.6 圖7. 使用外部I/O 擴(kuò)展芯片擴(kuò)展按鍵.6 圖8. 用LV4051擴(kuò)展按鍵.7 圖9. LV4051的寄生電容.7 圖10. 檢測窗口長度和檢測精度的關(guān)系.8 圖11. 新張馳振蕩檢測技術(shù)的系統(tǒng)框圖

3、.9 圖12. 新張馳振蕩檢測技術(shù)的檢測方法.9 圖13. 新檢測方法下的檢測時(shí)間和檢測精度對比.10 圖14. 兩種按鍵擴(kuò)展方法比較. (10 2 電容式觸摸按鍵的按鍵擴(kuò)展方法1. 觸摸式應(yīng)用要求更多的按鍵經(jīng)過多年的技術(shù)演進(jìn)和量產(chǎn)檢驗(yàn),觸摸式按鍵技術(shù)如今日趨成熟.由于具有方便易用,時(shí)尚和低成本的優(yōu)勢,越來越多的電子產(chǎn)品開始從傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵轉(zhuǎn)向觸摸式按鍵.新的應(yīng)用對觸摸式按鍵提出了新的需求,其中之一就是要求的按鍵數(shù)目顯著增加.一些家電產(chǎn)品如電磁爐需要20多個(gè)按鍵.另一方面,電容式觸摸按鍵檢測精度的提升也使得以往使用電阻式觸摸技術(shù)來滿足需求高分辨能力的應(yīng)用,比如觸摸屏,有機(jī)會(huì)采用成本更加低廉的電

4、容式觸摸技術(shù),這些應(yīng)用需求反過來又推動(dòng)了在電容式檢測技術(shù)中增加按鍵數(shù)目的要求.目前世面上的電容觸摸方案多為專用集成電路,而基于MSP430的張馳振蕩觸摸按鍵技術(shù)采用的是純軟件的按鍵檢測技術(shù).我們可以針對不同的應(yīng)用,不同的噪聲環(huán)境,集成不同的濾波算法.因此,MPS430觸摸按鍵方案擁有良好的抗干擾性能,非常適合由交流電驅(qū)動(dòng)的電子設(shè)備,比如家用電器. 如何使我們的方案支持更多的按鍵將是下階段擺在我們面前的問題.2. 基于MSP430的張馳振蕩觸摸按鍵方案簡介在討論按鍵擴(kuò)展問題之前,我們簡單的回顧一下基于MSP430觸摸按鍵的實(shí)現(xiàn)原理.下圖1 顯示了利用MSP430的內(nèi)置比較器構(gòu)建張馳振蕩結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)

5、觸摸按鍵的系統(tǒng)框圖:圖1. 基于MSP430的張馳振蕩觸摸按鍵原理MSP430的內(nèi)置比較器和外部的沖放電電阻Rc 以及感應(yīng)電容Csensor 一起構(gòu)成了一個(gè)張馳振蕩器結(jié)構(gòu).而感應(yīng)電容Csensor 就是這個(gè)振蕩器的調(diào)協(xié)元件,Csensor 的任何變化都相應(yīng)的改變張馳振蕩器的諧振頻率.我們利用MSP430內(nèi)置的定時(shí)器A 來采樣振蕩頻率,從而可以檢測到Csensor 的變化.片外的三個(gè)阻值為R 的電阻網(wǎng)絡(luò)提供了比較器的參考電壓,而這個(gè)參考電壓受到比較器的輸出的反饋激勵(lì),其電壓值在1/3V CC 和2/3V CC 之間反復(fù)變換,造成張馳振蕩器的持續(xù)振蕩.振蕩的頻率可以由以下公式計(jì)算:f OSC =

6、1/1.386 × R C × C SENSOR 電容式觸摸按鍵的按鍵擴(kuò)展方法 3從上述公式中可以看到, 振蕩頻率和傳感器的電容值成反比,因此只要檢測出振蕩頻率就可以得出傳感器的電容. 而頻率是周期的導(dǎo)數(shù),只要采樣到振蕩周期就可以反推出我們需要的電容值.我們在計(jì)算振蕩周期是采用如圖2所示方法:在固定是時(shí)間窗中計(jì)數(shù)完整的振蕩周期個(gè)數(shù), 用時(shí)間窗的長度T 除以計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)n 就是采樣的周期. 實(shí)際應(yīng)用中我們可以進(jìn)一步簡化:我們關(guān)心的并不是電容容值的絕對值,而是相對變化量. 因?yàn)橹芷?(頻率和感應(yīng)電容的容值存在一一對應(yīng)的關(guān)系,而在采樣窗口T 固定的情況下,振蕩周期也由振蕩次數(shù)n 唯

7、一確定, 因此我們可以直接用n 來作為按鍵觸發(fā)的判據(jù).圖2. 振蕩頻率計(jì)算原理在上述實(shí)現(xiàn)方法中,我們使用MSP430片內(nèi)的12KHz 低速振蕩源VLO 驅(qū)動(dòng)MSP430內(nèi)置看門狗WDT 來產(chǎn)生檢測窗口.MSP430片內(nèi)的定時(shí)器A 用來計(jì)數(shù)檢測窗口中的振蕩次數(shù). 程序在檢測窗口的下降沿和上升沿分別捕獲定時(shí)器A 的輸出, 兩次捕獲的定時(shí)器計(jì)數(shù)差就是采樣窗口中振蕩的次數(shù)n.為方便分析, 基于n 我們作如下定義:Base_C: 感應(yīng)電容為基電容(沒有按鍵觸發(fā)時(shí)對應(yīng)的振蕩次數(shù)Delta_C: 本次檢測的振蕩次數(shù)相對于基電容時(shí)振蕩次數(shù)的變化量只要確定了Base_C, 每次檢測完畢, 我們用當(dāng)次檢測的結(jié)果減

8、去Base_C 就可以得到Delta_C. 如前文分析, Delta_C 的值可以作為按鍵觸發(fā)的判決依據(jù).需要詳細(xì)了解TI 張馳振蕩觸摸按鍵技術(shù)細(xì)節(jié)的讀者,可以參考我們的另一篇技術(shù)文檔SLAA363 PCB-Based Capacitive Touch Sensing With MSP430.3. 擴(kuò)展按鍵方法 4 電容式觸摸按鍵的按鍵擴(kuò)展方法在張馳振蕩觸摸按鍵方案中, 每一個(gè)按鍵需要連接到片內(nèi)比較器的輸入口線上. MSP430內(nèi)置的比較器擁有一個(gè)8位線的復(fù)用器, 從圖1的結(jié)構(gòu)中可以看出,我們需要一個(gè)比較器輸入口來作為參考電壓輸入,因此最多還可以直接連接7個(gè)按鍵.考慮到很多觸摸式按鍵應(yīng)用會(huì)使用

9、比較小的MSP430芯片比如MSP430F2011/F2111,在這些芯片中,某些比較器輸入端和TACLK 和CAOUT 復(fù)用在一起,也沒法用于連接按鍵. 所以實(shí)際可用的按鍵接入口只有6個(gè). 這樣的按鍵數(shù)目對于很多應(yīng)用都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.為了擴(kuò)展按鍵,本文向大家介紹兩種方法:口線復(fù)用和使用外部I/O 擴(kuò)展芯片.3.1 口線復(fù)用口線復(fù)用運(yùn)用了數(shù)學(xué)組合的原理. 在這種方式下, 每一個(gè)觸摸按鍵會(huì)由兩塊或多塊銅皮組成, 而每一個(gè)片內(nèi)比較器的輸出口線會(huì)同時(shí)連接到不同的按鍵的銅皮上. 這樣當(dāng)一個(gè)按鍵被觸發(fā)時(shí), 該按鍵所對應(yīng)的幾個(gè)比較器輸入口線會(huì)同時(shí)檢測到電容變化, 由于每個(gè)按鍵對應(yīng)的口線組合都是獨(dú)一無二的,

10、我們可以在軟件中區(qū)分出究竟是哪個(gè)按鍵被觸發(fā). 因?yàn)榻?jīng)過口線組合后的組合特征量會(huì)大于原始的口線個(gè)數(shù), 所以這種方法可以用來擴(kuò)展按鍵數(shù)量.圖3. 口線復(fù)用擴(kuò)展方法圖3是一個(gè)應(yīng)用實(shí)例, 在這個(gè)例子中采用了2線組合, 根據(jù)組合數(shù)原理, 我們可以從5個(gè)比較器輸入口線中得到總共10種不同的組合, 也就是10個(gè)按鍵.C5C2 =10口線組合方法的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要增加額外的電子元器件或IC, 是成本最低的解決方案. 但是它的局限性也非常明顯. 首先, 按鍵擴(kuò)展的數(shù)量受到數(shù)學(xué)組合以及組合深度的限制. 理論上來說, 以5根比較器輸入口線位基礎(chǔ),我們最多可以復(fù)用出31個(gè)不同的組合:C5C1 + C5C2 + C5C

11、3 + C5C4 + C5C5 = 5 + 10 +10 + 5 +1 = 31事實(shí)上, 深度的口線復(fù)用在物理上是無法實(shí)現(xiàn)的: 在考慮PCB 版圖時(shí), 一個(gè)按鍵很難容納太多的鋪銅片. 一般情況下, 2線組合的復(fù)用方式在純按鍵應(yīng)用中是比較常見和易于實(shí)現(xiàn)的. 電容式觸摸按鍵的按鍵擴(kuò)展方法 5 口線復(fù)用的另一個(gè)問題是靈敏度的降低. 我們知道觸摸式電容按鍵的電容計(jì)算可以由以下公式得出: d AC r 0=從上式可以看出, 電容的容值和銅皮的正對面積成正比. 當(dāng)我們使用口線復(fù)用方法時(shí), 一個(gè)按鍵包含多個(gè)銅皮,每一塊銅皮的面積因此減小為原來的幾分之一, 而電容變化量Delta_C 也會(huì)相應(yīng)減小. 圖4給出

12、的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了電容隨銅皮大小的變化趨勢. 圖4. 靈敏度受按鍵大小影響過低的靈敏度會(huì)造成很多問題, 比如按鍵反應(yīng)遲鈍, 抗干擾能力減弱等. 尤其是當(dāng)面板厚度超過5毫米時(shí),按鍵可能完全失去功能.總而言之, 口線復(fù)用的方法非常適合于按鍵數(shù)目不超過10個(gè)的應(yīng)用. 而另一個(gè)合適的應(yīng)用場景是觸摸式滑動(dòng)條和觸摸屏, 因?yàn)樵谶@類應(yīng)用中可以使用比較高的復(fù)用深度. 圖5是使用MSP430F2011設(shè)計(jì)的觸摸劃動(dòng)條. 圖5. 使用口線復(fù)用方式設(shè)計(jì)的觸摸式滑動(dòng)條 采用口線復(fù)用方式時(shí)還有一個(gè)潛在的應(yīng)用問題, 因?yàn)榭蛻粼谑褂冒存I時(shí)有時(shí)會(huì)按偏, 如果正好按到按鍵的左半部分或右半部分, 因?yàn)橹挥幸粋€(gè)或一部分銅皮受到感應(yīng),

13、 可能會(huì)造成程序的誤判斷. 因此按鍵的PCB設(shè)計(jì)需要改進(jìn). 對于復(fù)用的按鍵, 其走線最好是采用交錯(cuò)的形式, 如圖6的B部分所示. A. 普通走線B. 交錯(cuò)走線圖6.口線復(fù)用方式下的按鍵走線3.2使用外部I/O擴(kuò)展芯片擴(kuò)展按鍵擴(kuò)展芯片更容易實(shí)現(xiàn)和理解I/O擴(kuò)的一個(gè)比較器輸入接口線上, 如此我們便可以用這個(gè)比較器接口線來控制所有連接到I/O擴(kuò)展芯片擴(kuò)展端的按鍵了. 一般來說普通的I/O擴(kuò)展芯片都可以做到1對8個(gè)或16的擴(kuò)展, 因此使用這種方法可以輕松的擴(kuò)展到幾十個(gè)按鍵. 圖8是一個(gè)應(yīng)用實(shí)例. 利用兩個(gè)1對8的擴(kuò)展芯片LV4051, 我們的演示板用MSP430F2111輕松實(shí)現(xiàn)了對17個(gè)按鍵的控制

14、圖8.用LV4051擴(kuò)展按鍵使用外部I/O擴(kuò)展芯片增加按鍵的方法由于沒有影響按鍵大小, 不會(huì)直接降低按鍵的靈敏度. 但是外部I/O擴(kuò)展芯片并不是理想無損的I/O通道復(fù)用器. 比如LV4051, 它的輸入和輸出端都有寄生電容的存在. 這些寄生電容的等效電路如圖9所示. 圖9.LV4051的寄生電容因此,如果在按鍵和比較器輸入端口線之間加入了LV4051之類的擴(kuò)展芯片, 擴(kuò)展芯片的寄生電容就和觸摸式按鍵的感應(yīng)電容形成并聯(lián)的結(jié)構(gòu), 寄生電容的容值會(huì)直接累加到按鍵電容的基電容Base_C上. 從理論的角度看, 因?yàn)槲谊P(guān)心的是感應(yīng)電容的變化量Delta_C, 基電容Base_C的增加并不會(huì)直接影響到按鍵

15、的靈敏度. 但是在實(shí)際應(yīng)用中, 由于 我們是用定時(shí)器A的計(jì)數(shù)值來表征容值大小, 即使Delta_C沒有減小, Base_C的增加也會(huì)造成Delta_C/Base_C比率下降. 假如檢測窗口的大小固定, 那么檢測到的Delta_C絕對數(shù)值會(huì)減小. 舉例來說, LV4051輸入輸出端的寄生電容加起來大概是25pF左右, 一般按鍵的感應(yīng)電容在10pF左右, 假如使用5毫米的面板, 感應(yīng)電容的變化量大概只有0.20.3pF, 那么Delta_C相對于Base_C的比率將由沒使用LV4051時(shí)的2%降至0.5%. 其結(jié)果是, 在這樣小的比率下, Delta_C的絕對數(shù)值只能達(dá)到各位數(shù), 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高于

16、噪聲門限的要求. 因此要在使用外部I/O擴(kuò)展芯片的情況下為保證Delta_C的分辨率, 只有延長檢測窗口.我們在使用外部I/O擴(kuò)展芯片的情況下, 對于檢測窗口長度和靈敏度(Delta_C分辨率的關(guān)系進(jìn)行了一個(gè)測算. 如圖10 所示. 在這個(gè)測算用例中, 沖放電電阻R C 的阻值是51k, 張馳振蕩器的振蕩頻率大致在330-kHz 左右. 圖10的 X 軸表示實(shí)測的Base_C/(Delta_C大小, Y 軸是檢測窗口的長度. 通常情況下為了保證遠(yuǎn)離噪聲門限的, 我們希望 Delta_C 至少在幾十的量級以上. 那么從圖10中我們可以看到左起第三欄可以滿足要求. 以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算采樣時(shí)間. 每一個(gè)

17、按鍵的檢測需要8192/330=25ms. 如果是一個(gè)8按鍵的應(yīng)用, 一輪檢測需要200毫秒左右. 如果是更多的按鍵則需要更長的時(shí)間. 即便是200毫秒, 也會(huì)使按鍵的反應(yīng)變得非常遲鈍, 不能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的要求.8192(5032768(199Base_C(Delta_C(in Timer_A count檢測窗口長度和檢測精度的關(guān)系4.擴(kuò)展芯片增加按鍵數(shù)量的關(guān)鍵在于縮短單個(gè)按鍵的檢測時(shí)間. 為了解決這個(gè)問題我們需要對傳統(tǒng)的張馳振蕩檢測技術(shù)進(jìn)行改進(jìn). 圖11和圖原理C a p t u r e 圖11. 新張馳振蕩檢測技術(shù)的系統(tǒng)框圖在新的方式下, 張馳振蕩器的輸出CAOUT 不再作為高速的時(shí)鐘

18、去驅(qū)動(dòng)定時(shí)器A 計(jì)數(shù), 而是作為一個(gè)低速的時(shí)鐘來形成檢測窗口. 同時(shí)我們用另一個(gè)高速的16MHz 時(shí)鐘SMCLK 來計(jì)數(shù)由張馳振蕩器CAOUT 輸出的N 個(gè)周期信號的長度. (Fast(Very 圖12.新張馳振蕩檢測技術(shù)的檢測方法圖12給出更為詳細(xì)的系統(tǒng)運(yùn)作方式. 定時(shí)器A 工作在捕獲模式, 張馳振蕩器輸出CAOUT 作為定時(shí)器A 的捕獲源. 另一個(gè)16MHz 的高速時(shí)鐘SMCLK 驅(qū)動(dòng)定時(shí)器A 來計(jì)數(shù). 開始檢測時(shí), 程序記錄下第一個(gè)CAOUT 上升沿時(shí)定時(shí)器A 的計(jì)數(shù)值, 之后一直到第N 個(gè)CAOUT 結(jié)束時(shí), 再記錄下當(dāng)時(shí)的定時(shí)器A 計(jì)數(shù)值. 這樣兩個(gè)計(jì)數(shù)值的差就是N 個(gè)完整張馳振蕩器

19、振蕩周期的時(shí)間量.現(xiàn)在我們可以計(jì)算出新的檢測方法下檢測每個(gè)按鍵消耗的時(shí)間: 在與圖10用例相同的要求下, 我們需要Base_C 達(dá)到8192, Delta _C 達(dá)到50. 我們的MCU 跑在16MHz 的時(shí)鐘下, 那么8192個(gè)主頻周期需要8192/16=512微秒. 現(xiàn)在的檢測時(shí)間只有原來的1/48. 圖13給出了新舊兩種方式下檢測時(shí)間的對比. 如果使用新的檢測方法, 即使是20個(gè)按鍵的應(yīng)用我們也可以在10毫秒內(nèi)檢測完畢, 絲毫不會(huì)影響按鍵響應(yīng)速度. 有了新的檢測方法, 傳統(tǒng)的電阻式觸摸屏這類包含上百個(gè)觸摸單元的應(yīng)用將有機(jī)會(huì)由成本更為低廉的電容式技術(shù)取代. 新檢測方法下的檢測時(shí)間和檢測精度

20、對比該程序設(shè)定在MSP430F2121演示板上運(yùn)行就可以簡單的移植到自己的平臺(tái)上.張馳振蕩觸摸按鍵技術(shù)上兩種按鍵擴(kuò)展的方法中:成本靈敏度檢測時(shí)間無decreased需要額外IC圖14.兩種按鍵擴(kuò)展方法比較總的來說, 如果觸摸式按鍵應(yīng)用不是特別復(fù)雜, 所需按鍵數(shù)目小余10, 可以采用口線復(fù)用的方式降低成本. 假如按鍵數(shù)量要求較多, 用I/O擴(kuò)展芯片的方法會(huì)更容易實(shí)現(xiàn). 無論使用哪一種按鍵擴(kuò)展方法, 我們都推薦使用本文所介紹的新的檢測技術(shù), 來降低檢測時(shí)間提高響應(yīng)速度.當(dāng)然, 任何應(yīng)用都有其特殊性, 而不能簡單的以本文提出的10個(gè)按鍵的標(biāo)準(zhǔn)來選擇按鍵擴(kuò)展方式. 在很多情況下, 我們需要根據(jù)產(chǎn)品的特

21、點(diǎn)來選擇真正合適的方法. 甚至在很多時(shí)候我們要結(jié)合使用兩種按鍵擴(kuò)展方式. 比如觸摸屏, 它本身的傳感器數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10個(gè), 但是從另一個(gè)角度看, 觸摸屏又是一個(gè)二維的滑條應(yīng)用, 適合深度 復(fù)用的方法. 對于這種應(yīng)用, 只有結(jié)合使用兩種擴(kuò)展方式, 才能真正兼顧產(chǎn)品的成本和性能. 本文的目的是給讀 者介紹基本的按鍵擴(kuò)展方法及其原理, 希望讀者能夠針對各自的應(yīng)用設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的方案. 參考文獻(xiàn) 6. 1. MSP430x2xx Family Users Guide (SLAU144 2. MSP430F20xx data sheet (SLAS491 3. PCB-Based Capacitive T

22、ouch Sensing With MSP430 (SLAA363 4. MSP430 Capacitive Single-Touch Sensor Design Guide (SLAA379 電容式觸摸按鍵的按鍵擴(kuò)展方法 11 重要聲明 德州儀器 (TI 及其下屬子公司有權(quán)在不事先通知的情況下，隨時(shí)對所提供的產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行更正、修改、增強(qiáng)、改進(jìn)或其它更改， 并有權(quán)隨時(shí)中止提供任何產(chǎn)品和服務(wù)。 客戶在下訂單前應(yīng)獲取最新的相關(guān)信息，并驗(yàn)證這些信息是否完整且是最新的。 所有產(chǎn)品的 銷售都遵循在訂單確認(rèn)時(shí)所提供的 TI 銷售條款與條件。 TI 保證其所銷售的硬件產(chǎn)品的性能符合 TI 標(biāo)準(zhǔn)保修的適用規(guī)范。 僅在 TI 保修的范圍內(nèi)，且 TI 認(rèn)為有必要時(shí)才會(huì)使用測試或其它質(zhì) 量控制技術(shù)。 除非政府做出了硬性規(guī)