Реализация сенсорных датчиков

Создано: 10 Февраля, 2017
Обновлено: 27 Октября, 2020

Узнайте, как разработать надежную альтернативу традиционным механическим переключателям с использованием технологии сенсорных емкостных датчиков в Altium Designer.

Технология сенсорных емкостных датчиков предлагает недорогую и высоконадежную альтернативу традиционным механическим переключателям, используемым в интерфейсах управления электроникой. Вручную создавать или изменять размеры сложных узоров датчика касания, специфичных для поставщика или технологии, может быть как сложно, так и затратно по времени. К счастью, существует автоматизированное решение, которое позволяет легко создавать и модифицировать сложные формы сенсоров касания.

ЕМКОСТНЫЕ СЕНСОРЫ КАСАНИЯ

Переключатели и управления на основе емкостных сенсоров касания предлагают несколько преимуществ перед традиционными механическими переключателями, используемыми в электронных продуктах. Во-первых, сенсоры касания реализуются непосредственно на меди печатной платы. У них нет движущихся частей, которые могут выйти из строя или износиться со временем. Емкостные сенсоры касания также предназначены для работы через различные покрытия, включая пластик, стекло, оргстекло, маску пайки, картон и дерево, а также множество других материалов. Их поверхностное покрытие делает их устойчивыми к веществам, которые могут повредить ручной переключатель, таким как вода, влага, пыль, грязь, жир, агрессивные химикаты и чистящие средства.

Учитывая эти преимущества емкостных датчиков, вопрос становится, как вы можете внедрить их в свои электронные устройства? Переключатели и управления касанием, используемые в электронных продуктах, могут быть изготовлены недорого и могут иметь различные версии, такие как сенсорные пины и на разъемных платах. Продукты, в которые они встраиваются, часто более интуитивно понятны, чем традиционные механические компоненты, легче в обслуживании и обеспечивают в целом более высокое качество и долгосрочную надежность.

Примеры практического применения емкостных сенсоров касания можно найти во всем, от бытовой техники и потребительской электроники до промышленных управлений и морского оборудования, мобильных устройств и ПК и периферии, медицинских устройств и многих других.

ТЕХНОЛОГИЯ ЕМКОСТНОГО КАСАНИЯ

В этом учебном пособии по датчикам сенсорного касания, сенсорное касание определяется как активация, когда палец человека приближается к электроду датчика сенсорного касания, вытравленному на медной плате ПП. Это вызывает изменение емкости электрода датчика. Это изменение емкости фиксируется либо на входе микроконтроллера общего назначения, либо на входе специализированного устройства управления касанием, подключенного к электроду датчика. Микроконтроллер или устройство управления касанием затем обновляет состояние одного или нескольких цифровых выходных управляющих сигналов в соответствии с определенной программной реакцией на изменение емкости, распознанное конкретным электродом датчика.

Существует два различных типа сенсорного касания. Они называются сенсорным касанием с собственной емкостью и сенсорным касанием с взаимной емкостью.

Сенсорное касание с собственной емкостью происходит, когда присутствие пальца человека увеличивает емкость одного электрода датчика. Это увеличение емкости затем обрабатывается, как описано выше.

Сенсорное касание с взаимной емкостью происходит, когда присутствие пальца человека уменьшает взаимную связь между двумя сопряженными электродами датчика. Когда это падение емкости (на приемном электроде) фиксируется, оно затем обрабатывается, как описано выше.

Рисунок 1 - Сенсорное касание с собственной емкостью слева и сенсорное касание с взаимной емкостью справа

ФОРМЫ ДАТЧИКОВ КАСАНИЯ

Датчики касания в основном состоят из трех общих типов: кнопки, ползунки и колеса.

Кнопки позволяют переключать управление с одной точки сенсорного касания. Например, если вы коснетесь определенной кнопки один раз, цепь освещения включится. Если вы коснетесь той же кнопки снова, цепь освещения выключится.

Ползунки позволяют управлять уровнем от минимальной до максимальной точки. Например, если вы коснетесь определенного ползунка в его минимальной точке, подключенная цепь освещения будет установлена на самый тусклый уровень света. Теперь проведите пальцем от этой начальной точки по ползунку в сторону максимальной точки, и яркость освещения постепенно увеличивается.

Что касается колес, то, возможно, самым распространенным примером является регулировка громкости. Коснитесь и проведите пальцем по часовой стрелке вдоль колеса, чтобы увеличить громкость аудио вашего устройства. Коснитесь и проведите пальцем против часовой стрелки вокруг датчика колеса, и уровень громкости уменьшится. С помощью кнопок, ползунков и колес вы можете управлять практически любым устройством всего лишь одним касанием.

Теперь, когда у нас есть базовое понимание того, как работают сенсоры касания, давайте рассмотрим, как их можно реализовать на плате с емкостным датчиком. На рисунке ниже показаны Кнопка, Ползунок и Колесо, все они реализованы как датчики типа Самоемкость на верхнем слое меди. Ниже приведен другой пример набора Кнопки, Ползунка и Колеса, на этот раз реализованные как датчики типа Взаимная емкость на верхнем и нижнем слоях меди (датчики Взаимной емкости настроены как пары электродов датчика).

Рисунок 2 - Кнопка, Ползунок и Колесо, реализованные как датчики Самоемкости сверху и датчики Взаимной емкости снизу

Электроды сенсоров касания, особенно сенсор колеса, имеют очень сложные формы. Вручную создавать такие формы в программном обеспечении для проектирования печатных плат - это чрезвычайно сложная и времязатратная задача, даже для самых опытных проектировщиков печатных плат. Теперь подумайте о изменении размера или деталей существующих датчиков, если это необходимо. Без простого, автоматизированного способа создания или изменения электродов емкостных сенсоров касания, может быть сложно даже рассмотреть возможность реализации емкостных датчиков, несмотря на их многочисленные преимущества. К счастью, существует простой, автоматизированный способ это сделать. Давайте рассмотрим один из методов легкого создания и изменения сложных форм и физических конфигураций электродов сенсоров касания.

НАСТРОЙКА БИБЛИОТЕК СЕНСОРОВ КАСАНИЯ

На первый взгляд, эти формы могут показаться сложными, но вы легко можете настроить их размер и конфигурацию в соответствии с вашими потребностями. Altium Designer включает в себя специальные, настраиваемые библиотеки специфичных для сенсоров касания для технологий Atmel, Cypress и Microchip. Каждая библиотека настраивается в соответствии с детальными, специфичными для производителя требованиями к форме, размеру и компоновке каждого типа датчика и технологии.

Эти возможности и специфичные для производителя библиотеки должны быть включены в расширения Altium Designer и панели обновления и настройки платформы. Поддержка сенсоров касания специфичных для производителя легко включается, перейдя в DXP » Расширения и обновления » Установленные (вкладка) » Настроить (ссылка) и включив опции поддержки сенсоров касания: Atmel QTouch, Cypress CapSense и Microchip mTouch, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 3 - Включение опций поддержки сенсоров касания для Atmel, Cypress и Microchip

После включения этих возможностей перезапустите Altium Designer (для включения дополнительная лицензия не требуется). Библиотеки сенсоров касания, специфичные для производителя, теперь можно найти в публичной папке /Libraries в установке Altium Designer и они готовы к добавлению в панель библиотек. На рисунке ниже показаны интегрированные библиотеки ‘Atmel QTouch.IntLib’, ‘Cypress CapSense.IntLib’ и ‘Microchip mTouch.IntLib’, установленные и доступные в панели библиотек. Теперь конфигурируемые символы сенсоров касания могут быть легко размещены и настроены.

Рисунок 4 - Доступные библиотеки сенсоров касания

Каждая из этих библиотек сенсоров касания, специфичных для производителя, содержит набор символов схем, представляющих каждый возможный тип сенсора специфичного производителя: кнопку, ползунок или колесо сенсорного электрода. Символы размещаются на схеме и подключаются к соответствующей схеме контроллера касания точно так же, как любой другой компонент. Однако уникальной особенностью этих символов является кнопка «Настроить» в нижнем левом углу их панели свойств. Эта кнопка позволяет настроить тип и точные физические размеры раскладки электродов сенсора. Конфигурируемый символ сенсора касания имеет тип ‘Standard (No BOM)’, так как он представляет форму, которая должна быть вытравлена непосредственно в меди, а не физический установленный компонент.

НАСТРОЙКА СИМВОЛА СЕНСОРА КАСАНИЯ

Символы, взятые из библиотек сенсоров касания, специфичных для производителя, должны быть настроены на определенный тип и конкретные физические размеры, согласно электрическим и механическим требованиям к дизайну. В панели свойств размещенного символа сенсора касания раздел Model полностью пуст, так как с символом не ассоциирована никакая модель посадочного места. Это потому, что настройки конфигурации пользователя, указанные в символе, используются для автоматического создания компоновки при выполнении обновления до печатной платы PCB ECO.

Рисунок 5 - Настройка высоты, ширины и зазора ползунка Atmel QTouch

На приведенном выше рисунке показан диалоговое окно настройки ползунка Atmel QTouch среднего размера, где указаны размеры высоты, ширины и толщины зазора датчика ползунка. Если введены недопустимые значения, они не будут приняты, и будет отображено сообщение с диапазоном допустимых значений. После выполнения обновления до PCB ECO результирующее посадочное место датчика может быть размещено на любом слое сигналов, позиционировано, перемещено или повернуто, как обычное посадочное место компонента.

Как и в случае с любым стандартным компонентом, для компонента создана связь в проекте, ассоциирующая посадочное место емкостного сенсора касания на плате с его символом в схематическом документе. В свойствах посадочного места емкостного сенсора также есть диалоговое окно Настройка, идентичное тому, что у символа. Это означает, что размещенное посадочное место сенсора касания может быть динамически перенастроено в документе платы. Полученные настройки конфигурации затем могут быть синхронизированы обратно с символом сенсора касания в схематическом документе путем выполнения обновления схемы ECO.

ПРИМЕР ДИЗАЙНА СЕНСОРА КАСАНИЯ

После размещения всех сенсоров их можно соединить с контроллерной схемой. Каждый производитель предоставляет рекомендации и лучшие практики по размещению сенсоров и трассировке. Также доступны специфические для производителя рекомендации и лучшие практики по проектированию необходимой схемы контроллера сенсора касания. Специфические для производителя даташиты микроконтроллеров или специализированных контроллеров касания подробно описывают, что требуется в плане поддерживающих активных и пассивных компонентов для управления отдельными каналами сенсора касания.

На рисунке ниже показан завершенный дизайн емкостного сенсора касания, состоящий из девяти кнопок, одного слайдера и одного колеса. В нем также есть два специализированных устройства контроллера сенсора касания. Дизайн был основан на двух устройствах Atmel QTouch AT42QT2100, а посадочные места сенсоров касания были созданы с использованием ‘Atmel QTouch.IntLib’ и ассоциированной возможности генерации сенсоров поддержки сенсора касания в Altium Designer.

Колесо и слайдер несколько раз изменяли размеры из-за механических соображений во время размещения на плате. Множество часов было сэкономлено благодаря автоматической генерации посадочных мест сенсоров, которая создавала и затем модифицировала эти сложные формы из меди.

Рисунок 6 - Панель касания с 9 кнопками, 1 слайдером и 1 колесом, управляемая 2 устройствами Atmel AT42QT2100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технология сенсоров касания предлагает огромные преимущества по сравнению с традиционно используемыми в интерфейсных управлениях механическими переключателями. Ручное создание или модификация сложных, изысканно формированных электродов сенсора касания в дизайне печатной платы может быть трудоемкой задачей. Однако использование автоматизированного подхода при создании или модификации электродов емкостных сенсоров касания в дизайне экономит время и предсказуемо дает точные результаты в соответствии с требованиями производителя. Поддержка сенсоров касания в Altium Designer упрощает создание и модификацию учебных макетов емкостных сенсоров касания, делая процесс легким, предсказуемым и точным согласно спецификациям производителя.