Implementazione di sensori tattili

Scopri come progettare un'alternativa affidabile agli interruttori meccanici tradizionali con la tecnologia dei sensori a sfioramento capacitivi in Altium Designer.

La tecnologia dei sensori a sfioramento capacitivi offre un'alternativa economica e altamente affidabile agli interruttori meccanici tradizionali utilizzati nelle interfacce di controllo elettronico. Creare o ridimensionare manualmente i complessi schemi specifici del fornitore/tecnologia di un sensore a sfioramento può essere difficile e richiedere molto tempo. Fortunatamente, esiste una soluzione automatizzata, che consente la creazione e la modifica facile di forme complesse di sensori a sfioramento.

SENSORI A SFIORAMENTO CAPACITIVI

I sensori a sfioramento capacitivi e i controlli offrono diversi vantaggi rispetto agli interruttori meccanici tradizionalmente utilizzati nei prodotti elettronici. Per esempio, i sensori a sfioramento sono implementati direttamente nel rame su un PCB. Non ci sono parti mobili che possono malfunzionare o usurarsi nel tempo. I sensori a sfioramento capacitivi sono inoltre progettati per funzionare attraverso una varietà di coperture, inclusi plastica, vetro, plexiglass, maschera di saldatura, cartone e legno, così come molti altri materiali. La loro copertura superficiale li rende resistenti a sostanze che potrebbero danneggiare un interruttore manuale, come acqua, umidità, polvere, sporco, grime, sostanze chimiche aggressive e agenti di pulizia.

Data i vantaggi dei sensori capacitivi, la domanda diventa: come si possono implementare nei tuoi dispositivi elettronici? Gli interruttori e i controlli touch utilizzati nei prodotti elettronici possono essere fabbricati a basso costo e possono presentarsi in diverse versioni, come pin touch e su breakout board. I prodotti in cui vengono integrati sono spesso più intuitivi rispetto ai componenti meccanici tradizionali, sono più facili da mantenere e offrono una qualità complessiva superiore e una maggiore affidabilità a lungo termine.

Esempi pratici di applicazioni di sensori touch capacitivi si possono trovare in tutto, dagli elettrodomestici e l'elettronica di consumo ai controlli industriali e all'attrezzatura marina, ai dispositivi mobili e PC e periferiche, ai dispositivi medici e molti altri.

TECNOLOGIA TOUCH CAPACITIVA

Per questo tutorial sui sensori touch capacitivi, il rilevamento touch capacitivo è definito come l'attivazione quando un dito umano si avvicina a un elettrodo sensore touch capacitivo inciso su rame su un PCB. Ciò causa la variazione della capacitanza dell'elettrodo sensore. Questo cambiamento di capacitanza viene rilevato su un ingresso di un microcontrollore generico, o su un ingresso di un dispositivo di controllo touch dedicato, connesso all'elettrodo sensore. Il microcontrollore o il dispositivo di controllo touch aggiornerà quindi lo stato di uno o più segnali di controllo di uscita digitale in una risposta programmata specifica al cambiamento di rilevamento capacitivo riconosciuto da un elettrodo sensore specifico.

Unparalleled Schematic Capture

Easily design schematics of any complexity.

Learn More

Ci sono due diversi tipi di sensing capacitivo. Sono denominati Sensing di Auto-Capacitanza e Sensing di Capacitanza Mutua.

Il Sensing di Auto-Capacitanza avviene quando la presenza di un dito umano aumenta la capacitanza di un singolo elettrodo sensore. Questo aumento di capacitanza viene poi elaborato come descritto sopra.

Il Sensing di Capacitanza Mutua si verifica quando la presenza di un dito umano diminuisce l'accoppiamento reciproco tra due elettrodi sensori accoppiati insieme. Quando questa caduta di capacitanza (sull'elettrodo di ricezione) viene rilevata, viene poi elaborata come descritto sopra.

Figura 1 - Sensing di Auto-Capacitanza a sinistra e Sensing di Capacitanza Mutua a destra

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

FORME DEI SENSORI TATTILI

I sensori tattili consistono principalmente di tre tipi generali: Pulsanti, Cursori e Ruote.

I Pulsanti permettono un controllo a commutazione da un singolo punto di contatto di sensing capacitivo. Ad esempio, se tocchi un certo sensore a pulsante una volta, un circuito di illuminazione si accende. Se tocchi lo stesso sensore a pulsante di nuovo, il circuito di illuminazione si spegne.

I cursori consentono un controllo del livello da un punto minimo a un punto massimo. Ad esempio, se tocchi un certo cursore nel suo punto minimo, il circuito di illuminazione connesso verrà impostato al suo livello di luce più tenue. Ora trascina il dito da quel punto iniziale attraverso il sensore del cursore verso il punto massimo, e il circuito di illuminazione aumenta gradualmente di luminosità.

Per i sensori a ruota, forse l'esempio più comune è il controllo del volume. Tocca e trascina il dito in senso orario lungo la ruota per aumentare il volume dell'audio del tuo dispositivo. Tocca e trascina il dito in senso antiorario attorno al sensore a ruota, e il livello del volume diminuisce. Tra Pulsanti, Cursori e Ruote, puoi controllare praticamente qualsiasi dispositivo con un semplice tocco.

Ora che abbiamo una comprensione di base di come funzionano i sensori tattili, diamo un'occhiata a come possono essere implementati in un layout PCB per la rilevazione capacitiva. Nella figura sottostante, un Pulsante, un Cursore e una Ruota sono tutti mostrati implementati come sensori di tipo Auto-Capacitanza sullo strato di Rame Superiore. Sotto c'è un altro esempio di un Pulsante, Cursore e Ruota, questa volta implementati come sensori di tipo Capacitanza Mutua sia sullo strato di Rame Superiore che Inferiore (i sensori di Capacitanza Mutua sono configurati come coppie di elettrodi sensori).

Figura 2 - Pulsante, cursore e ruota implementati come Sensori a Capacità Propria in alto e Sensori a Capacità Mutua in basso

Gli elettrodi dei sensori tattili, specialmente quelli del sensore a ruota, hanno forme molto complicate. Creare manualmente tali forme nel software di progettazione PCB è un compito estremamente sfidante e che richiede molto tempo, anche per i progettisti PCB più esperti. Ora pensate a ridimensionare o modificare i dettagli dei sensori esistenti, se necessario. Senza un modo facile e automatizzato per creare o modificare gli elettrodi dei sensori tattili capacitivi, potrebbe essere difficile persino considerare l'implementazione di sensori capacitivi, nonostante i loro numerosi vantaggi. Fortunatamente, esiste un modo facile e automatizzato per farlo. Diamo un'occhiata a un metodo per creare e modificare facilmente le forme complesse e le configurazioni fisiche degli elettrodi dei sensori tattili.

CONFIGURARE LE LIBRERIE DEI SENSORI TATTILI

Queste forme possono sembrare complicate inizialmente, ma è possibile dimensionarle e configurarle facilmente secondo le proprie esigenze. Altium Designer include librerie speciali, configurabili e specifiche per i sensori tattili, per la tecnologia touch di Atmel, Cypress e Microchip. Ogni libreria è configurabile secondo i requisiti dettagliati e specifici del fornitore per forma, dimensione e layout di ogni tipo di sensore e tecnologia.

Queste capacità e le librerie specifiche dei fornitori devono essere abilitate all'interno delle Estensioni di Altium Designer e del pannello Aggiorna Configura Piattaforma. Il supporto per Sensori Tattili specifici del fornitore è facile da abilitare, andando su DXP » Estensione e Aggiornamenti » Installati (tab) » Configura (link) e abilitando le opzioni di Supporto Sensori Tattili: Atmel QTouch, Cypress CapSense e Microchip mTouch, come mostrato nella figura sottostante.

Figura 3 - Abilitazione delle opzioni di Supporto Sensori Tattili per Atmel, Cypress e Microchip

Dopo aver abilitato queste capacità, riavviare Altium Designer (l'abilitazione non richiede licenze aggiuntive). Le librerie specifiche dei sensori tattili dei fornitori possono ora essere trovate nella cartella pubblica /Libraries all'interno dell'installazione di Altium Designer, e sono pronte per essere aggiunte al pannello delle Librerie. La figura sottostante mostra le librerie integrate 'Atmel QTouch.IntLib', 'Cypress CapSense.IntLib' e 'Microchip mTouch.IntLib', installate e disponibili all'interno del pannello delle Librerie. Simboli schematici specifici per il tocco configurabili possono ora essere facilmente posizionati e configurati.

Figura 4 - Librerie Sensori Tattili Disponibili

Ogni una di queste librerie di sensori tattili specifiche del fornitore contiene un insieme di simboli schematici, rappresentando ogni possibile tipo di sensore specifico del fornitore: pulsante, cursore o layout dell'elettrodo del sensore a ruota. I simboli sono posizionati nello schema e collegati al rispettivo circuito di controllo tattile, esattamente nello stesso modo in cui sarebbe posizionato e collegato qualsiasi altro componente. Tuttavia, ciò che è unico di questi simboli è il pulsante Configura nell'angolo in basso a sinistra del loro pannello delle proprietà. Questo pulsante ti permette di configurare il tipo e le precise dimensioni fisiche del layout dell'elettrodo del sensore. Un simbolo di sensore tattile configurabile è di tipo 'Standard (No BOM)', poiché rappresenta una forma da incidere direttamente in rame, piuttosto che un componente fisico popolato.

CONFIGURARE UN SIMBOLO DI SENSORE TATTILE

I simboli presi dalle librerie di sensori tattili specifiche del fornitore devono essere configurati a un tipo specifico e dimensioni fisiche specifiche, come per i requisiti di progettazione elettrica e meccanica. Nel pannello delle proprietà di un simbolo di sensore tattile posizionato, la sezione Modello è completamente vuota, poiché non c'è nessun modello di impronta associato al simbolo. Questo perché le impostazioni di configurazione dell'utente specificate all'interno del simbolo sono utilizzate per generare automaticamente il layout quando viene eseguito un Aggiornamento al Circuito Stampato PCB ECO.

Figura 5 - Configurazione dell'Altezza, Larghezza e Spaziatura di un sensore Slider Atmel QTouch

La figura sopra mostra il dialogo di Configurazione di un simbolo di Slider Atmel QTouch di dimensioni medie, dove sono specificate le dimensioni di Altezza, Larghezza e Spessore della Spaziatura del sensore Slider. Se vengono inseriti valori non validi, questi non saranno accettati e verrà visualizzato un messaggio con l'intervallo dei valori accettabili. Dopo aver eseguito un Aggiornamento a PCB ECO, l'impronta risultante del sensore può essere posizionata su qualsiasi strato di segnale, posizionata, spostata o ruotata, proprio come l'impronta di un componente regolare.

Come per qualsiasi componente standard, è stato stabilito un collegamento di componente all'interno del progetto, associando l'impronta del sensore tattile capacitivo nel documento PCB con il suo simbolo nel documento schematico. Nelle proprietà di un'impronta di sensore capacitivo, c'è anche un dialogo di Configurazione identico a quello del simbolo. Questo significa che l'impronta del sensore tattile posizionata può essere riconfigurata dinamicamente nel documento PCB. La configurazione risultante può poi essere sincronizzata di nuovo con il simbolo del sensore tattile nello schematico eseguendo un Aggiornamento a Schematico ECO.

ESempio di DESIGN di un sensore tattile

Una volta posizionati tutti i sensori, possono poi essere connessi al loro circuito di controllo. Ogni fornitore fornisce linee guida e migliori pratiche per il posizionamento e il routing dei sensori. Sono inoltre disponibili linee guida specifiche del fornitore e migliori pratiche per la progettazione del circuito di controllo del sensore tattile richiesto. I Datasheet dei microcontrollori specifici del fornitore o dei controller tattili dedicati dettaglieranno esattamente ciò che è necessario in termini di componenti attivi e passivi di supporto necessari per controllare i singoli canali del sensore tattile.

La figura sottostante mostra un design di sensore tattile capacitivo completato, composto da nove Pulsanti, uno Slider e una Ruota. Dispone anche di due dispositivi di controllo del sensore tattile a scopo dedicato. Il design si basava su due dispositivi Atmel QTouch AT42QT2100, e le impronte dei sensori tattili sono state create utilizzando il ‘Atmel QTouch.IntLib’ e la capacità di generazione del sensore di supporto al sensore tattile associata all'interno di Altium Designer.

La Ruota e lo Slider sono stati ridimensionati diverse volte per considerazioni meccaniche durante la disposizione del circuito stampato. Molte ore sono state risparmiate utilizzando la generazione automatica dell'impronta del sensore, che ha creato e successivamente modificato queste complesse forme di rame intricate.

Figura 6 - Pannello Tattile con 9 Pulsanti, 1 Slider e 1 Ruota controllati da 2 dispositivi Atmel AT42QT2100

CONCLUSIONE

La tecnologia dei sensori touch offre enormi vantaggi rispetto ai componenti degli interruttori meccanici tradizionalmente utilizzati nei controlli delle interfacce. Creare o modificare manualmente gli elettrodi dei sensori touch, complessi e dalle forme intricate, in un design PCB può essere un compito arduo. Tuttavia, utilizzare un approccio automatizzato nella creazione o modifica degli elettrodi dei sensori touch capacitivi in un design risparmia tempo e garantisce risultati accurati, in conformità con le specifiche dei fornitori. Il supporto per Sensori Touch in Altium Designer rende la creazione e la modifica dei layout tutorial dei sensori touch capacitivi facile, prevedibile e accurata secondo le specifiche dei fornitori.

LINK UTILI

Atmel QTouch e QMatrix

- microcontrollori AVR a 8 bit o a 32 bit

- dispositivi controller dedicati QTouch e QMatrix

- dispositivi PSoC

- dispositivi controller dedicati CapSense

- Microcontrollori PIC a 8, 16 o 32 bit

- dispositivi controller dedicati mTouch

Riferimenti

- Touch sui Microcontrollori

- Controller Capsense

- Pulsanti mTouch