基于mcu微控制器的電容感應觸控技術

　　從根本上說，微控制器可以被描述為與日益復雜的外圍設備緊密耦合的邏輯處理單元。通過將此數字域與現實世界相耦合，外設的功能和性能是微控制器功能的定義參數。

　　最近，焦點可能已經轉移到 MCU 內核上，但應用仍然在很大程度上定義了所需的外設集。隨著 MCU 不斷降低處理能力的成本，出現了更多樣化和特定于應用的外設，通過專用接口增強了通用 I/O （GPIO）。

　　在最簡單的形式中，專用接口可能只不過是比較器，而不是 ADC，但越來越多的相關外設將激勵（電壓或電流源）和測量（例如 ADC/DAC 或電流感應）結合在一起輸入）。GPIO 是否應該被特定應用的接口取代現在通常取決于潛在市場的規模以及可能導致大批量生產的成本節約。一種這樣的應用空間是觸摸傳感器接口。

　　對低成本觸摸界面的需求正在增長，因為增加交互性的能力不僅可以在一系列設備中提供更好的控制，而且人們也越來越期待。

　　觸控技術

　　從歷史上看，最流行的觸摸感應形式是基于電阻的，其中感應表面可以覆蓋屏幕或印刷面板。這種方法的好處是簡單且成本低；需要很少的資源，它也具有相對較低的處理開銷，但也可以使用專用功能塊來實現。

　　通常，電阻屏界面通過檢測由絕緣體隔開的兩種導電材料形成的平面表面上的微小電阻變化來工作。當對一個表面施加壓力時，測得的電阻會降低。然而，這項技術的關鍵在于檢測在 X 和 Y 坐標中施加壓力的表面位置，這最終取決于分辨率。模擬電阻接口的最小可檢測位置通常由表面尺寸、可測量電阻的絕對偏移以及用于測量電阻的 ADC 的分辨率定義，并轉換為數字值。

　　向表面上的特定點施加壓力有效地創建了一個分壓器，可以在 X 軸和 Y 軸上測量，從而精確定位單個“接觸”點。然而，這種方法的局限性在于它通常只允許在任何時候測量一個接觸點。隨著人們越來越意識到多點觸控感應的好處，電阻式接口已不再受歡迎，但該技術仍有一席之地，因為它在惡劣環境或危險區域的操作方面繼續提供一些好處。

　　當然，另一種選擇是電容式觸摸感應，它基本上不需要接觸，但需要非常接近導電體，通常是手指。與電阻傳感一樣，該技術依賴于由絕緣體隔開的兩個導體，但在這種情況下，絕緣體是自由空氣，第二個導體是人的手指。

　　消除對壓力的需求但用接近代替它與電阻技術相比有一個顯著的缺點，即能夠操作與任何硬物體的接口。相反，雖然理論上可以使用任何導電物體代替任何固體物體，但它確實對操作施加了限制。最值得注意的是，電容式觸摸屏在戴手套時難以操作，而電阻式界面則可以輕松操作。

　　此外，電容式觸摸感應依賴于測量非常小的電容波動，而不是相對較大且易于檢測的電阻變化。僅此一項就需要更復雜（因此可能更昂貴）的解決方案，但在 MCU 內核上運行的軟件通常可以吸收這種復雜性。

　　電容式感應的另一個主要好處是，初級導體可以很容易地用普通 PCB 軌道復雜或昂貴的東西來構造，從而可以適應各種形狀和尺寸。

　　因此，為任何給定應用選擇正確的解決方案并不像選擇最靈活或最復雜的解決方案（例如電容式感應）那么簡單。最合適的技術可能是最簡單的，因此所有選項都值得仔細評估。

　　離散解決方案

　　對觸敏界面的需求導致了一系列專用設備的開發，通常針對可以說是更復雜的技術，即電容感應。一個例子是 Atmel 的 QTouch 系列專用設備，其中包括QT1481. 該器件旨在支持矩陣布局，并集成了在大多數條件下提供穩定感測所需的所有信號處理，即使在使用單面 PCB 時也是如此。這種相對較小的設備（44 針）最多可容納 48 個不同形狀和大小的按鍵。它采用了 Atmel 的“QT”技術，該技術使用一種稱為橫向電荷轉移的技術。這通過使用脈沖邊沿檢測強制通過兩個電極的電荷變化來發揮作用。由于可以使用 GPIO 模擬該技術，因此可以使用 Atmel 的 QTouch 軟件庫在該公司的許多 MCU 設備（包括UC3A和UC3B系列）中實現它。

　　傳統解決方案

　　如前所述，電容式感應并不總是最合適的解決方案，對于許多應用來說，簡單的電阻式觸摸感應可能仍然是最合適的技術。仍然存在解決方案來滿足這一需求，同時提供一些獨特的功能。一個很好的例子是Cirrus Logic的EP9315系列 MCU ，它集成了對電阻式觸摸界面的支持。這個成熟的系列基于 ARM920T 內核，能夠支持 Linux 和 Windows CE 操作系統，而該系列中的一些變體具有數學協處理器和圖形加速器——這些特性使其與最新的產品處于同一級別基于 ARM? 現在無處不在的 Cortex? 系列處理器內核的 MCU。

　　該器件采用基于硬件的模擬電阻式觸摸屏控制器引擎，可控制采樣、平均、范圍檢查和掃描模式。雖然引擎執行標準接口的所有必要功能，但也可以繞過引擎并使用 ARM 內核來實現更復雜的掃描算法。

　　電容式接口

　　雖然電阻式觸摸感應在許多應用中仍然發揮作用，但許多開發人員正在尋求實現的是多點觸控電容式感應所提供的靈活性和功能。

　　除了能夠將多點觸控感應集成到顯示器中外，電容感應還能夠將用戶控件添加到許多非透射表面，從而允許在已疊印的玻璃、陶瓷或塑料面板中實施控件提供傳說和指導。這意味著幾乎任何表面都可以變成耐用的界面，用于消費和工業應用。

　　實現電容感應的硬件和軟件方法可能因制造商而異，但通常會使用振蕩器，因為Microchip 的mTouch 技術已在其PIC16F系列中實現。

　　電容感應振蕩器產生一個三角波形，交替提供或吸收電流。由電容波動引起的頻率變化在軟件中檢測，基于兩個定時器，這兩個定時器也在振蕩器的控制之下。當引入電容負載時，例如手指，電容感應振蕩器的頻率會降低。添加模擬多路復用器意味著硬件可以支持多達十二個單獨的電容輸入。

　　圖 1：PIC16F 系列中的 Microchip 電容式觸摸感應技術。

　　Microchip 最近開發了一種獨立設備，該設備使用更復雜的投射電容感應形式來識別三個維度的手勢，距離電極（PCB 軌道）最遠可達 15 厘米。預計這將創建大量新的應用程序，這些應用程序可能會利用更自然的手勢來控制設備和設備。

　　隨著 MCU 的角色不斷被重新定義，它們的定義也在不斷被重新定義，一個很好的例子就是PSoC Cypress Semiconductor 的可編程片上系統器件系列。在這個范圍內有三個主要的變體，主要由所采用的處理核心來區分。在 PSoC1 系列中，內核是 8 位 M8C 內核；在 PSoC3 系列中，使用的內核是 8 位 8051；而在 PSoC5 中，內核是 32 位 ARM Cortex-M3。

　　在每種情況下，內核都通過可配置的硬件架構來增強，該架構能夠使用模擬和數字模塊實現軟件定義的外設。這種靈活性允許大量可配置性，主要由賽普拉斯半導體的集成開發環境（IDE） “PSoC Creator”控制。

　　通過此 IDE，電容感應功能可輕松配置和優化，并且與軟件庫結合使用時，可用于實現特定應用的觸摸感應解決方案。

　　圖 2：使用 Cypress Semiconductor 的 PSoC Creator IDE 配置 PSoC3 和 5 系列。

　　一般來說，觸摸感應以及電容感應現在可以被認為是地方性的，雖然它可以使用相對通用的硬件功能和大致簡潔的軟件算法在許多 MCU 中實現，但制造商將繼續開發差異化解決方案的方法。

　　Silicon Labs認為這個應用領域非常重要，可以開發特定的解決方案，例如C8051F系列。該系列被 Silicon Labs 描述為電容式觸控感應 MCU；它們基于高性能 8051 內核，但專門針對觸摸感應應用。這一點在功能集上很明顯，其中包括一個能夠自主運行到 CPU 的 16 位逐次逼近轉換器。

　　Silicon Labs 該系列 MCU 的最新成員是 Precision32 系列，它基于 ARM 的 Cortex-M3 內核，以SiM3系列為例。這提供了更高的處理性能并采用了 Silicon Labs 的“電容到數字”轉換技術。

　　在這兩個系列中，轉換過程都可以由內部和外部的多個來源啟動，并且可以支持多達 16 個通道。在 SiM3C1xx 中，器件有四種可用的操作模式，單次轉換、單次掃描、連續單次轉換和連續掃描。自動累加模式取多個樣本的平均值。