Implementowanie czujników dotykowych

Utworzono: luty 10, 2017
Zaktualizowano: październik 27, 2020

Dowiedz się, jak zaprojektować niezawodną alternatywę dla tradycyjnych mechanicznych przełączników, korzystając z technologii sensorów dotykowych pojemnościowych w Altium Designer.

Technologia sensorów dotykowych pojemnościowych oferuje niedrogą i wysoce niezawodną alternatywę dla tradycyjnych mechanicznych przełączników używanych w interfejsach sterowania elektroniką. Ręczne tworzenie lub zmiana rozmiaru skomplikowanych wzorów sensora dotykowego, specyficznych dla danego dostawcy/technologii, może być trudne i czasochłonne. Na szczęście istnieje automatyczne rozwiązanie, które umożliwia łatwe tworzenie i modyfikowanie złożonych kształtów sensorów dotykowych.

SENSORY DOTYKOWE POJEMNOŚCIOWE

Przełączniki i sterowniki sensorów dotykowych pojemnościowych oferują kilka zalet w porównaniu do mechanicznych przełączników tradycyjnie używanych w produktach elektronicznych. Po pierwsze, sensory dotykowe są implementowane bezpośrednio w miedzi na PCB. Nie mają ruchomych części, które mogą ulec awarii lub zużyciu z czasem. Sensory dotykowe pojemnościowe są również zaprojektowane do funkcjonowania przez różnorodne pokrycia, w tym plastik, szkło, pleksiglas, maskę lutowniczą, karton i drewno, jak również wiele innych materiałów. Ich powierzchnia czyni je odpornymi na substancje, które mogłyby uszkodzić przełącznik manualny, takie jak woda, wilgoć, kurz, brud, tłuszcz, ostre chemikalia i środki czyszczące.

Biorąc pod uwagę te korzyści z sensorów pojemnościowych, pojawia się pytanie, jak można je wdrożyć w swoich urządzeniach elektronicznych? Przełączniki i sterowniki dotykowe używane w produktach elektronicznych mogą być produkowane tanio i mogą występować w różnych wersjach, takich jak piny dotykowe i na płytach rozszerzeń. Produkty, do których są wdrażane, są często bardziej intuicyjne niż tradycyjne komponenty mechaniczne, łatwiejsze w utrzymaniu i zapewniają ogólnie wyższą jakość oraz długoterminową niezawodność.

Przykłady praktycznych zastosowań sensorów dotykowych pojemnościowych można znaleźć w wszystkim, od sprzętu AGD i elektroniki użytkowej, przez sterowniki przemysłowe i sprzęt morski, po urządzenia mobilne i komputery oraz peryferia, aż po urządzenia medyczne i wiele innych.

TECHNOLOGIA DOTYKOWA POJEMNOŚCIOWA

W tym samouczku dotyczącym czujników dotykowych pojemnościowych, wykrywanie dotyku pojemnościowego definiuje się jako aktywację, gdy ludzki palec zbliża się do elektrody czujnika dotykowego pojemnościowego wytrawionego na PCB. Powoduje to zmianę pojemności elektrody czujnika. Ta zmiana pojemności jest wykrywana na wejściu ogólnego mikrokontrolera lub na dedykowanym wejściu urządzenia sterującego dotykiem, połączonym z elektrodą czujnika. Mikrokontroler lub urządzenie sterujące dotykiem następnie aktualizuje stan jednego lub więcej sygnałów cyfrowych pinów sterujących w określonej zaprogramowanej odpowiedzi na zmianę wykrywania pojemności rozpoznaną przez konkretną elektrodę czujnika.

Istnieją dwa różne typy wykrywania pojemnościowego. Nazywane są Wykrywaniem Samo-Pojemnościowym i Wykrywaniem Wzajemnej Pojemności.

Wykrywanie Samo-Pojemnościowe ma miejsce, gdy obecność ludzkiego palca zwiększa pojemność pojedynczej elektrody czujnika. To zwiększenie pojemności jest następnie przetwarzane jak opisano powyżej.

Wykrywanie Wzajemnej Pojemności występuje, gdy obecność ludzkiego palca zmniejsza wzajemne sprzężenie między dwoma sparowanymi elektrodami czujnika. Gdy to spadnie pojemność (na elektrodzie odbiorczej) jest wykrywane, jest następnie przetwarzane jak opisano powyżej.

Rysunek 1 - Wykrywanie Samo-Pojemnościowe po lewej i Wykrywanie Wzajemnej Pojemności po prawej

KSZTAŁTY CZUJNIKÓW DOTYKOWYCH

Czujniki dotykowe składają się głównie z trzech ogólnych typów: Przyciski, Suwaki i Koła.

Przyciski umożliwiają przełączanie sterowania z pojedynczego punktu kontaktu czujnika dotykowego pojemnościowego. Na przykład, jeśli dotkniesz pewnego przycisku czujnika raz, obwód oświetleniowy zostanie włączony. Jeśli dotkniesz tego samego przycisku czujnika ponownie, obwód oświetleniowy zostanie wyłączony.

Suwaki umożliwiają kontrolę poziomu od minimalnego punktu do maksymalnego punktu. Na przykład, jeśli dotkniesz pewnego suwaka w jego minimalnym punkcie, połączony obwód oświetleniowy zostanie ustawiony na najniższy poziom światła. Teraz przesuń palec z tego początkowego punktu wzdłuż suwaka czujnika w kierunku maksymalnego punktu, a obwód oświetleniowy stopniowo zwiększa jasność.

W przypadku czujników koła, najczęstszym przykładem jest kontrola głośności. Dotknij i przesuń palec zgodnie z ruchem wskazówek zegara wzdłuż koła, aby zwiększyć głośność dźwięku urządzenia. Dotknij i przesuń palec przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wokół czujnika koła, a poziom głośności zmniejsza się. Między Przyciskami, Suwakami i Kołami możesz kontrolować praktycznie każde urządzenie za pomocą prostego dotyku.

Teraz, gdy mamy podstawowe zrozumienie, jak działają czujniki dotykowe, przyjrzyjmy się, jak można je zaimplementować w układzie PCB z wykorzystaniem czujników pojemnościowych. Na poniższym rysunku przedstawiono Przycisk, Suwak i Koło, wszystkie zaimplementowane jako czujniki typu Samo-Pojemnościowego na górnej warstwie miedzi. Poniżej znajduje się inny zestaw przykładów Przycisku, Suwaka i Koła, tym razem zaimplementowanych jako czujniki typu Wzajemnej-Pojemności na obu warstwach miedzi, górnej i dolnej (czujniki Wzajemnej-Pojemności są konfigurowane jako pary elektrod czujnikowych).

Rysunek 2 - Przycisk, Suwak i Koło zaimplementowane jako czujniki Samo-Pojemnościowe na górze i czujniki Wzajemnej-Pojemności na dole

Elektrody czujników dotykowych, zwłaszcza czujnika koła, mają bardzo skomplikowane kształty. Ręczne tworzenie takich kształtów w oprogramowaniu do projektowania PCB jest niezwykle trudnym i czasochłonnym zadaniem, nawet dla najbardziej doświadczonych projektantów PCB. Pomyśl teraz o zmianie rozmiaru lub modyfikacji szczegółów istniejących czujników, jeśli jest to potrzebne. Bez łatwego, zautomatyzowanego sposobu na tworzenie lub modyfikowanie elektrod czujników dotykowych pojemnościowych, nawet rozważenie implementacji czujników pojemnościowych, pomimo ich licznych zalet, może być trudne. Na szczęście istnieje łatwy, zautomatyzowany sposób na to. Przyjrzyjmy się jednej z metod łatwego tworzenia i modyfikowania skomplikowanych kształtów i konfiguracji fizycznych elektrod czujników dotykowych.

KONFIGURACJA BIBLIOTEK CZUJNIKÓW DOTYKOWYCH

Te kształty mogą wydawać się skomplikowane na pierwszy rzut oka, ale można je łatwo dostosować do swoich potrzeb. Altium Designer zawiera specjalne, konfigurowalne biblioteki specyficzne dla czujników dotykowych firmy Atmel, Cypress i Microchip. Każda biblioteka jest konfigurowalna do szczegółowych, specyficznych dla dostawcy wymagań dotyczących kształtu, rozmiaru i układu każdego typu czujnika i technologii.

Te możliwości i biblioteki specyficzne dla dostawców muszą być włączone w rozszerzeniach Altium Designer i panelu Aktualizacja Konfiguracji Platformy. Wsparcie dla specyficznych czujników dotykowych dostawców jest łatwe do włączenia, poprzez przejście do DXP » Rozszerzenia i Aktualizacje » Zainstalowane (zakładka) » Konfiguruj (link) i włączenie opcji wsparcia dla czujników dotykowych: Atmel QTouch, Cypress CapSense i Microchip mTouch, jak pokazano na poniższym rysunku.

Rysunek 3 - Włączanie opcji wsparcia dla czujników dotykowych Atmel, Cypress i Microchip

Po włączeniu tych funkcji, zrestartuj Altium Designer (włączenie nie wymaga dodatkowej licencji). Biblioteki specyficzne dla producenta czujników dotykowych można teraz znaleźć w folderze publicznym /Libraries w instalacji Altium Designer i są gotowe do dodania do panelu Bibliotek. Poniższy rysunek pokazuje zintegrowane biblioteki ‘Atmel QTouch.IntLib’, ‘Cypress CapSense.IntLib’ oraz ‘Microchip mTouch.IntLib’, zainstalowane i dostępne w panelu Bibliotek. Konfigurowalne, specyficzne dla dotyku symbole schematyczne mogą teraz być łatwo umieszczane i konfigurowane.

Rysunek 4 - Dostępne biblioteki czujników dotykowych

Każda z tych bibliotek specyficznych dla producenta czujników dotykowych zawiera zestaw symboli schematycznych, reprezentujących każdy możliwy typ specyficznego dla producenta czujnika: przycisk, suwak lub układ elektrod kółka. Symbole są umieszczane na schemacie i podłączane do odpowiednich obwodów kontrolera dotyku, dokładnie tak samo, jak każdy inny komponent byłby umieszczany i podłączany. Jednakże, unikalną cechą tych symboli jest przycisk Konfiguruj w lewym dolnym rogu ich panelu właściwości. Ten przycisk pozwala na konfigurację typu i dokładnych wymiarów fizycznych układu elektrod czujnika. Konfigurowalny symbol czujnika dotykowego jest typu ‘Standard (No BOM)’, ponieważ reprezentuje kształt, który ma być wytrawiony bezpośrednio w miedzi, a nie fizyczny komponent.

KONFIGUROWANIE SYMBOLU CZUJNIKA DOTYKOWEGO

Symbole umieszczone z bibliotek specyficznych dla producenta czujników dotykowych muszą być skonfigurowane do określonego typu i określonych wymiarów fizycznych, zgodnie z wymaganiami projektowymi elektrycznymi i mechanicznymi. W panelu właściwości umieszczonego symbolu czujnika dotykowego, sekcja Model jest całkowicie pusta, ponieważ nie ma związanej z symbolem żadnej modelu śladu. Dzieje się tak, ponieważ ustawienia konfiguracji użytkownika określone w symbolu są używane do automatycznego generowania układu, gdy wykonane jest Update to Printed Circuit Board PCB ECO.

Rysunek 5 - Konfigurowanie wysokości, szerokości i odstępu suwaka Atmel QTouch

Rysunek powyżej pokazuje dialog Konfiguruj średniej wielkości symbolu suwaka Atmel QTouch, gdzie określone są wymiary wysokości, szerokości i grubości odstępu suwaka czujnika. Jeśli wprowadzone zostaną jakiekolwiek nieprawidłowe wartości, nie zostaną one zaakceptowane, a wiadomość wyświetli zakres akceptowalnych wartości. Po wykonaniu Update to PCB ECO, wynikowy ślad czujnika może być umieszczony na dowolnej warstwie sygnałowej, pozycjonowany, przesuwany lub obracany, tak jak zwykły ślad komponentu.

Tak jak w przypadku każdego standardowego komponentu, dla komponentu link został ustanowiony w projekcie, kojarząc ślad czujnika dotykowego pojemnościowego w dokumencie PCB z jego symbolem w dokumencie schematycznym. W właściwościach śladu czujnika pojemnościowego znajduje się również dialog Konfiguracja identyczny jak dla symbolu. Oznacza to, że umieszczony ślad czujnika dotykowego może być dynamicznie rekonfigurowany w dokumencie PCB. Wynikową konfigurację można następnie zsynchronizować z powrotem do symbolu czujnika dotykowego w schemacie, wykonując aktualizację do schematu ECO.

PRZYKŁADOWY PROJEKT CZUJNIKA DOTYKOWEGO

Po umieszczeniu wszystkich czujników, mogą one zostać następnie połączone z ich układami sterującymi. Każdy dostawca zapewnia wytyczne i najlepsze praktyki dotyczące umieszczania i trasowania czujników. Dostępne są również specyficzne dla dostawcy wytyczne i najlepsze praktyki dotyczące projektowania wymaganego układu sterującego czujnikiem dotykowym. Specyficzne dla dostawcy karty katalogowe mikrokontrolerów lub dedykowanych układów sterujących dotykiem szczegółowo określają, co jest wymagane pod względem wspierających komponentów aktywnych i pasywnych niezbędnych do sterowania poszczególnymi kanałami czujnika dotykowego.

Poniższy rysunek pokazuje ukończony projekt czujnika dotykowego pojemnościowego, składający się z dziewięciu przycisków, jednego suwaka i jednego koła. Posiada również dwa dedykowane urządzenia sterujące czujnikiem dotykowym. Projekt oparto na dwóch urządzeniach Atmel QTouch AT42QT2100, a ślady czujników dotykowych zostały stworzone przy użyciu ‘Atmel QTouch.IntLib’ i związanej z tym zdolności generowania wsparcia czujnika dotykowego w Altium Designer.

Koło i suwak były kilkakrotnie zmieniane rozmiarowo ze względów mechanicznych podczas układania płytki. Wiele godzin zaoszczędzono dzięki automatycznemu generowaniu śladów czujnika, które tworzyło i następnie modyfikowało te skomplikowane kształty miedziane.

Rysunek 6 - Panel dotykowy z 9 przyciskami, 1 suwakiem i 1 kołem sterowanymi przez 2 urządzenia Atmel AT42QT2100

WNIOSKI

Technologia czujników dotykowych oferuje ogromne korzyści w porównaniu do tradycyjnie używanych w interfejsach sterujących komponentów mechanicznych. Ręczne tworzenie lub modyfikowanie skomplikowanych, złożonych elektrod czujników dotykowych w projekcie PCB może być żmudnym zadaniem. Jednakże, stosowanie automatycznego podejścia przy tworzeniu lub modyfikowaniu elektrod czujników dotykowych pojemnościowych w projekcie oszczędza czas i przewidywalnie daje dokładne wyniki, zgodnie z wymaganiami specyficznymi dla dostawcy. Wsparcie czujnika dotykowego w Altium Designer ułatwia tworzenie i modyfikowanie układów tutorialowych czujników dotykowych pojemnościowych, czyniąc je łatwymi, przewidywalnymi i dokładnymi do specyfikacji dostawcy.