Mise en œuvre des capteurs tactiles

Apprenez à concevoir une alternative fiable aux interrupteurs mécaniques traditionnels avec la technologie des capteurs tactiles capacitifs dans Altium Designer.

La technologie des capteurs tactiles capacitifs offre une alternative peu coûteuse et très fiable aux interrupteurs mécaniques traditionnels utilisés dans les interfaces de contrôle électroniques. Créer ou redimensionner manuellement les motifs complexes spécifiques au fournisseur/technologie d'un capteur tactile peut être à la fois difficile et chronophage. Heureusement, il existe une solution automatisée, qui permet la création et la modification facile de formes de capteurs tactiles complexes.

CAPTEURS TACTILES CAPACITIFS

Les interrupteurs et commandes à capteur tactile capacitif offrent plusieurs avantages par rapport aux interrupteurs mécaniques traditionnellement utilisés dans les produits électroniques. Pour commencer, les capteurs tactiles sont intégrés directement dans le cuivre sur un PCB. Il n'y a pas de pièces mobiles qui peuvent mal fonctionner ou s'user avec le temps. Les capteurs tactiles capacitifs sont également conçus pour fonctionner à travers une variété de revêtements, y compris le plastique, le verre, le plexiglas, le masque de soudure, le carton et le bois, ainsi que de nombreux autres matériaux. Leur revêtement de surface les rend résistants à des substances qui pourraient endommager un interrupteur manuel, telles que l'eau, l'humidité, la poussière, la saleté, la crasse, les produits chimiques agressifs et les agents de nettoyage.

Compte tenu de ces avantages des capteurs capacitifs, la question devient, comment pouvez-vous les implémenter dans vos dispositifs électroniques ? Les interrupteurs et commandes tactiles utilisés dans les produits électroniques peuvent être fabriqués à faible coût et peuvent se présenter sous différentes versions, comme des broches tactiles et sur des cartes de développement. Les produits dans lesquels ils sont intégrés sont souvent plus intuitifs que les composants mécaniques traditionnels, sont plus faciles à entretenir et offrent une qualité globale supérieure et une fiabilité à long terme.

Des exemples d'applications pratiques de capteurs tactiles capacitifs peuvent être trouvés dans tout, des appareils ménagers et l'électronique grand public aux commandes industrielles et équipements marins, aux dispositifs mobiles et PC et périphériques, aux dispositifs médicaux, et bien d'autres.

TECHNOLOGIE TACTILE CAPACITIVE

Pour ce tutoriel sur les capteurs tactiles capacitifs, la détection tactile capacitive est définie comme s'activant lorsqu'un doigt humain s'approche d'une électrode de capteur tactile capacitif gravée sur un PCB. Cela provoque un changement de la capacité de l'électrode du capteur. Ce changement de capacité est détecté soit sur une entrée de microcontrôleur à usage général, soit sur une entrée de dispositif de contrôle tactile dédié, connectée à l'électrode du capteur. Le microcontrôleur ou le dispositif de contrôle tactile mettra ensuite à jour l'état d'un ou de plusieurs signaux de broche de sortie numérique dans une réponse programmée spécifique au changement de détection capacitive reconnu par une électrode de capteur spécifique.

Il existe deux types différents de détection capacitive. Ils sont désignés comme la Détection de Self-Capacitance et la Détection de Mutual-Capacitance.

La Détection de Self-Capacitance se produit lorsque la présence d'un doigt humain augmente la capacité d'une seule électrode de capteur. Cette augmentation de capacité est ensuite traitée comme décrit ci-dessus.

La Détection de Mutual-Capacitance se produit lorsque la présence d'un doigt humain diminue le couplage mutuel entre deux électrodes de capteur appariées. Lorsque cette baisse de capacité (sur l'électrode de réception) est détectée, elle est ensuite traitée comme décrit ci-dessus.

Figure 1 - Détection de Self-Capacitance à gauche et Détection de Mutual-Capacitance à droite

FORMES DES CAPTEURS TACTILES

Les capteurs tactiles se composent principalement de trois types généraux : Boutons, Curseurs et Roues.

Les Boutons permettent un contrôle bascule à partir d'un seul point de contact de détection tactile capacitive. Par exemple, si vous touchez un certain bouton une fois, un circuit d'éclairage s'allume. Si vous touchez le même bouton à nouveau, le circuit d'éclairage s'éteint.

Les Curseurs permettent un contrôle de niveau d'un point minimum à un point maximum. Par exemple, si vous touchez un certain curseur à son point minimum, le circuit d'éclairage connecté sera réglé sur son niveau de lumière le plus faible. Maintenant, glissez votre doigt de ce point initial à travers le curseur vers le point maximum, et le circuit d'éclairage augmente progressivement en luminosité.

Pour les capteurs de Roue, l'exemple le plus courant est probablement le contrôle du volume. Touchez et faites glisser votre doigt dans le sens des aiguilles d'une montre le long de la roue pour augmenter le volume de l'audio de votre appareil. Touchez et faites glisser votre doigt dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour du capteur de roue, et le niveau de volume diminue. Entre les Boutons, les Curseurs et les Roues, vous pouvez contrôler pratiquement n'importe quel appareil avec juste un simple toucher.

Maintenant que nous avons une compréhension de base du fonctionnement des capteurs tactiles, examinons comment ils peuvent être implémentés dans une disposition de PCB à détection capacitive. Dans la figure ci-dessous, un Bouton, un Curseur et une Roue sont tous montrés implémentés comme capteurs de type Auto-Capacitance sur la couche de Cuivre Supérieure. En dessous se trouve un autre ensemble d'exemples d'un Bouton, d'un Curseur et d'une Roue, cette fois implémentés comme capteurs de type Capacitance Mutuelle sur les couches de Cuivre Supérieure et Inférieure (les capteurs de Capacitance Mutuelle sont configurés comme paires d'électrodes de capteur).

Figure 2 - Bouton, Curseur et Roue implémentés comme Capteurs à Auto Capacitance en haut et Capteurs à Capacitance Mutuelle en bas

Les électrodes des capteurs tactiles, en particulier le capteur de roue, ont des formes très compliquées. Créer manuellement de telles formes dans votre logiciel de conception de PCB est une tâche extrêmement difficile et chronophage, même pour les concepteurs de PCB les plus expérimentés. Maintenant, pensez à redimensionner ou à modifier les détails des capteurs existants, si nécessaire. Sans une manière facile et automatisée de créer ou de modifier les électrodes des capteurs tactiles capacitifs, il pourrait même être difficile d'envisager l'implémentation de capteurs capacitifs, malgré leurs nombreux avantages. Heureusement, il existe une manière facile et automatisée de le faire. Examinons une méthode pour créer et modifier facilement les formes complexes et les configurations physiques des électrodes des capteurs tactiles.

CONFIGURER LES BIBLIOTHÈQUES DE CAPTEURS TACTILES

Ces formes peuvent sembler compliquées au premier abord, mais vous pouvez facilement les dimensionner et les configurer selon vos besoins. Altium Designer inclut des bibliothèques spéciales et configurables, spécifiques aux capteurs tactiles, pour la technologie tactile d'Atmel, Cypress et Microchip. Chaque bibliothèque est configurable selon les exigences détaillées et spécifiques au fournisseur pour la forme, la taille et la disposition de chaque type de capteur et technologie.

Ces capacités et bibliothèques spécifiques au fournisseur doivent être activées dans les Extensions d'Altium Designer et le panneau de Mise à jour et Configuration. Le support des capteurs tactiles spécifiques au fournisseur est facile à activer, en allant dans DXP » Extension et Mises à jour » Installés (onglet) » Configurer (lien) et en activant les options de Support des Capteurs Tactiles : Atmel QTouch, Cypress CapSense et Microchip mTouch, comme montré dans la figure ci-dessous.

Figure 3 - Activation des options de Support des Capteurs Tactiles pour Atmel, Cypress et Microchip

Après avoir activé ces capacités, redémarrez Altium Designer (l'activation ne nécessite aucune licence supplémentaire). Les bibliothèques de capteurs tactiles spécifiques au fournisseur peuvent maintenant être trouvées dans le dossier public /Libraries au sein de l'installation d'Altium Designer, et sont prêtes à être ajoutées au panneau des bibliothèques. La figure ci-dessous montre les bibliothèques intégrées ‘Atmel QTouch.IntLib’, ‘Cypress CapSense.IntLib’, et ‘Microchip mTouch.IntLib’, installées et disponibles au sein du panneau des bibliothèques. Des symboles schématiques spécifiques au toucher configurables peuvent maintenant être facilement placés et configurés.

Figure 4 - Bibliothèques de capteurs tactiles disponibles

Chacune de ces bibliothèques de capteurs tactiles spécifiques au fournisseur contient un ensemble de symboles schématiques, représentant chaque type possible de mise en page d'électrode de capteur spécifique au fournisseur Bouton, Curseur, ou Roue. Les symboles sont placés dans le schéma et connectés à leur circuit de contrôle tactile respectif, exactement de la même manière que tout autre composant serait placé et connecté. Cependant, ce qui est unique à propos de ces symboles est le bouton Configurer dans le coin inférieur gauche de leur panneau de propriétés. Ce bouton vous permet de configurer le type et les dimensions physiques précises de la mise en page de l'électrode du capteur. Un symbole de capteur tactile configurable est de type ‘Standard (No BOM)’, car il représente une forme à être gravée directement dans le cuivre, plutôt qu'un composant physique peuplé.

CONFIGURATION D'UN SYMBOLE DE CAPTEUR TACTILE

Les symboles placés à partir des bibliothèques de capteurs tactiles spécifiques au fournisseur doivent être configurés à un type spécifique et à des dimensions physiques spécifiques, selon les exigences de conception électrique et mécanique. Dans le panneau de propriétés d'un symbole de capteur tactile placé, la section Modèle est complètement vide, car il n'y a aucun modèle d'empreinte associé au symbole. Cela est dû au fait que les paramètres de configuration de l'utilisateur spécifiés dans le symbole sont utilisés pour générer la mise en page automatiquement lorsqu'une mise à jour vers le circuit imprimé PCB ECO est exécutée.

Figure 5 - Configuration de la hauteur, de la largeur et de l'écart d'un capteur curseur Atmel QTouch

La figure ci-dessus montre un dialogue de configuration d'un symbole de curseur Atmel QTouch de taille moyenne, où les dimensions de la hauteur, de la largeur et de l'épaisseur de l'écart du capteur curseur sont spécifiées. Si des valeurs invalides sont entrées, elles ne seront pas acceptées, et un message affichera la plage de valeurs acceptables. Après une mise à jour vers PCB ECO est exécutée, l'empreinte résultante du capteur peut être placée sur n'importe quelle couche de signal, positionnée, déplacée ou tournée, tout comme l'empreinte d'un composant régulier.

Comme pour tout composant standard, un lien de composant a été établi au sein du projet, associant l'empreinte du capteur tactile capacitif dans le document PCB à son symbole dans le document schématique. Dans les propriétés d'une empreinte de capteur capacitif, il y a également une boîte de dialogue Configurer identique à celle du symbole. Cela signifie que l'empreinte du capteur tactile placée peut être reconfigurée dynamiquement dans le document PCB. La configuration résultante peut ensuite être synchronisée avec le symbole du capteur tactile dans le schématique en effectuant une mise à jour vers le schématique ECO.

EXEMPLE DE CONCEPTION DE CAPTEUR TACTILE

Une fois tous les capteurs placés, ils peuvent ensuite être connectés à leur circuit de contrôle. Chaque fournisseur fournit des directives et des meilleures pratiques pour le placement et le routage des capteurs. Des directives spécifiques au fournisseur et des meilleures pratiques pour concevoir le circuit de contrôle du capteur tactile nécessaire sont également disponibles. Les fiches techniques de microcontrôleurs spécifiques au fournisseur ou de dispositifs de contrôle tactile à but dédié détailleront exactement ce qui est requis en termes de composants actifs et passifs nécessaires pour contrôler les canaux individuels du capteur tactile.

La figure ci-dessous montre une conception de capteur tactile capacitif achevée, composée de neuf Boutons, un Curseur et une Roue. Elle dispose également de deux dispositifs de contrôle de capteur tactile à but dédié. La conception était basée sur deux dispositifs Atmel QTouch AT42QT2100, et les empreintes des capteurs tactiles ont été créées en utilisant ‘Atmel QTouch.IntLib’ et la capacité de génération de capteur de support de capteur tactile associée au sein d'Altium Designer.

La Roue et le Curseur ont été redimensionnés plusieurs fois pour des considérations mécaniques pendant la disposition de la carte. De nombreuses heures ont été économisées en utilisant la génération automatique d'empreintes de capteur, qui a créé et modifié par la suite ces formes de cuivre complexes et intricates.

Figure 6 - Panneau tactile avec 9 Boutons, 1 Curseur et 1 Roue contrôlés par 2 dispositifs Atmel AT42QT2100

CONCLUSION

La technologie des capteurs tactiles offre d'énormes avantages par rapport aux composants d'interrupteurs mécaniques traditionnellement utilisés dans les commandes d'interface. Créer ou modifier manuellement les électrodes de capteur tactile complexes et finement façonnées dans une conception de PCB peut être une tâche ardue. Cependant, utiliser une approche automatisée lors de la création ou de la modification des électrodes de capteur tactile capacitif dans une conception permet de gagner du temps et de produire des résultats précis de manière prévisible, conformément aux exigences spécifiques du fournisseur. Le support de capteur tactile dans Altium Designer facilite la création et la modification des tutoriels de mise en page de capteur tactile capacitif, de manière facile, prévisible et précise selon les spécifications du fournisseur.

LIENS UTILES

Atmel QTouch et QMatrix

- Microcontrôleurs AVR 8 bits ou 32 bits

- Dispositifs de contrôle dédiés QTouch et QMatrix

- Dispositifs PSoC

- Contrôleurs dédiés CapSense

- Microcontrôleurs PIC de 8, 16 ou 32 bits

- Contrôleurs dédiés mTouch

Références

- Toucher sur Microcontrôleurs

- Contrôleurs Capsense

- Boutons mTouch