基于Microchip ATTINY1616之触摸按键&滑条应用方案

触摸感应正在成为一种潮流。无论是我们家里的冰箱、空调、洗衣机,办公室的笔记本、台式机,还是手中的手机、iPad、遥控器,亦或汽车的中控屏、娱乐屏、车窗控制、车门控制、灯光调节、温度调节……,触摸感应方式几乎随处可见,正以它的美观耐用吸引着大家。在市场瞬息万变的今天,我们迫切需要一种触摸感应设计,它操作简单,并在很短的时间内就可以完成。本方案以Microchip ATTINY1616为例,介绍如何方便、灵活地实现触摸按键、滑条的设计。您的产品也将受到更多的人追捧。

下面我将从原理、抗噪、防水、软件、硬件、调试等方面展开介绍,让您轻松进入触摸世界。

  • 电容感应原理

电容感应分为自电容和互电容,本方案采用的是自电容感应,如果您对互电容也比较感兴趣,请与大联大品佳当地办事处联系。简单而言,电容感应原理就是检测Sensor电容的变化。Sensor(电容式按键和滑条)就是PCB上的铺铜,Sensor和地之间会有一个寄生电容Cp,当触摸发生时,会再形成一个电容,称作手指电容Cf, 这时候总的电容就变为Cs, 也就是Cp+Cf。如下图所示。

Microchip 的ATTINY1616是一颗8位的MCU, 配合Atmel Studio开发环境可以非常方便地实现触摸按键、滑条、滚轮等设计。

Microchip电容感应技术有两种,一种是基于mTouch®技术CVD,许多PIC®器件支持CVD。另一种是QTouch®技术PTC,许多AVR® MCU、 SAM MCU和MPU都配有PTC。本方案ATTINY1616采用的是QTouch技术。

自电容传感器模型如下:

电极的自电容是相对于电路GND网络,测量传感器电极对GND电容变化。

  • 抗噪设计

噪声问题是电容式触摸无法避免的问题。在我们的生活中,有很多噪声源,比如对讲机、手机、电机、荧光灯、插座等。差模噪声会影响所有的触摸按钮,例如辐射噪声荧光灯以及靠近前面板的RF发射器,传导噪声前面板上的LED以及应用中的电机等。共模噪声只影响被触摸的按键,例如电源噪声、开关模式PSU、与存在噪声的设备有线通信等。共模噪声并不明显,只是在触摸之后才能感受到,对于设计人员来说更有挑战。不管是共模噪声还是差模噪声,在设计之初都需要考虑好抗噪。Microchip触摸方案可以做到很好的抗噪设计,可以通过硬件设计+软件调试实现。

  • 防水设计

防水设计也是电容式触摸需要考虑的问题。不管是水雾、水滴、还是水流,都会对按键或滑条本身的电容产生影响,产生误触摸或者触摸无反应现象,如下图所示。

Microchip触摸方案可以通过增加Driven Shield或Driven Shield+来实现防水设计。

  • 硬件设计

硬件设计的时候请注意面板不能是导电的!需要确认其成分!如果掺杂了“微量”金属,一定要取得材料提前测试!要让所有项目参与者了解,尤其是采购!

PCB Layout注意事项如下:

  1. 走线尽量细。尤其是信号接收线。推荐走工艺许可的最小线宽。如果是ITO或PEDOT等高阻抗透明线,要综合考虑阻抗和加宽之后可能引入的干扰。线长控制在150mm以内。
  2. 透明材料有一个方阻的概念。而且阻值比较高(高的有Kohm级别)。在布线的时候时刻要注意用银浆线降低阻抗。
  3. 对于互容设计,X线可以与X线成束并排走线,Y线可以与Y线成束并排走线,线间距最好达到至少两倍线宽。但是X线与Y线在非按键区一定要有地线隔离。地线宽至少取X/Y线宽的3倍。
  4. X/Y引脚预留0603尺寸以上的电阻,以处理可能的EMC问题。电阻靠近芯片摆放。
  5. 如果结构上实在没有办法搞定ESD,可以考虑外加TVS。需要考虑总体的电容量,选择容值足够小的器件,并摆放在PCB板进线处。
  6. 如果通过接口转接,接口要尽量靠近芯片摆放。
  7. 尽量远离电源线/地线/其他信号线,尤其是大电流的高速切换信号线,比如PWM调光的LED连线,要通过地层隔离、移到其他层和/或使用Driven Shield的方式降低干扰。
  8. 电极与Shield的耦合要尽量低;电极与 GND在各个方向上的间距至少为前面板厚度的一半。详细信息请参见如下链接“layout with driven shield”的部分 http://microchipdeveloper.com/touch:guide-for-ptc-driven-shield-design同时要注意,这种方式不适合FPC。
  • 软件设计

ATTINY1616可以通过Atmel Studio(Microchip Studio)或MPLAB-X-IDE集成开发环境进行软件设计。

本文以Atmel Studio为例进行设计。下载网址:https://www.microchip.com/en-us/development-tools-tools-and-software/microchip-studio-for-avr-and-sam-devices

Microchip MCU的优势之一就是集成了CIP(独立于内核的外设),  ATTINY1616也不例外。 QTouch®外设触摸控制器( Peripheral Touch Controller, PTC)可以用于按钮、滑条和滚轮设计,提供用于电容式触摸测量的内置硬件。 PTC 支持互电容和自电容测量,无需任何外部元件,即能够提供出色的灵敏度、抗噪性以及自校准功能,并且可最大限度地降低用户调节灵敏度所需的工作量。

使用Atmel Studio可以非常方便的添加按键、滑条、滚轮等设计,并且对参数进行调节。

使用Data Visualizer可视化触摸数据调试可以非常方便直观地观测到触摸存在时数据和图形的变化。

  • 调试工具

调试工具可以选择MPLAB PICkit 4(对应开发环境MPLAB-X-IDE)或ATATMEL-ICE(对应开发环境Atmel Studio)。

ATATMEL-ICE介绍:https://www.microchip.com/DevelopmentTools/ProductDetails/PartNO/ATATMEL-ICE

场景应用图

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展示版照片

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方案方块图

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核心技术优势

Microchip提供完整的触摸解决方案,可以适用于所有市场的触摸用例——从单个按键、滑条(1D)到触摸板和触摸屏(2D),以及接近传感检测和3D手势控制等。下面介绍一下1D Touch的性能优势。 1. 耐抗噪声能力 • 高信噪比(SNR) • 经过IEC61000 EFT和BCI测试 2. 耐水性触摸功能 • 触摸界面可以在各种环境条件(包括潮湿表面)下正常使用,而无需在每次使用其设备前清洁或擦干手。 3. 金属表面触摸功能、防水触摸功能 Microchip提供金属表面电容(MoC)技术,可支持: • 金属表面:不锈钢或铝 • 可透过任何厚度的手套进行检测 • 防水设计 • 支持盲文的界面 4. 低功耗 • PIC、AVR和SAM器件上的专用硬件支持最低功耗的触摸功能,其电容传感电流低于5 μA 5. 支持互电容触摸传感,可支持多按键数 Microchip优化和增强了以矩阵方式扫描大量按钮的方法。可从多个方面节省成本: • 减少馈送线数量,简化输入输出(flexPCB)端口的连接 • 减少触摸所需的引脚数,使器件具备高成本效益且占用空间较小 • 通过Microchip的独特固有馈送线路长度补偿,大幅缩短开发时间 6. 经过安全认证的触摸传感功能 • Microchip 提供通过IEC/UL 60730安全B类标准认证的产品(现成产品和传感库)。

方案规格

Microchip ATTINY1616 • 最多可实现12个自容式按键/36个互容式按键 • 可实现滑条、滚轮等设计 • 支持Driven Shield和Driven Shield+ • 具备I2C/SPI/UART接口 • 有车规产品

技术文档

类型标题档案
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