大聯大品佳 Microchip Attiny1616 觸摸感應設計方案EVB

觸摸感應正在成為一種潮流。無論是我們家裡的冰箱、空調、洗衣機，辦公室的筆記本、台式機，還是手中的手機、iPad、遙控器，亦或汽車的中控屏、娛樂屏、車窗控制、車門控制、燈光調節、溫度調節……，觸摸感應方式幾乎隨處可見，正以它的美觀耐用吸引著大家。在市場瞬息萬變的今天，我們迫切需要一種觸摸感應設計，它操作簡單，並在很短的時間內就可以完成。本方案以Microchip ATTINY1616為例，介紹如何方便、靈活地實現觸摸按鍵、滑條的設計。您的產品也將受到更多的人追捧。

下面我將從原理、抗噪、防水、軟體、硬體、調試等方面展開介紹，讓您輕鬆進入觸摸世界。

• 電容感應原理

電容感應分為自電容和互電容，本方案採用的是自電容感應，如果您對互電容也比較感興趣，請與大聯大品佳當地辦事處聯繫。簡單而言，電容感應原理就是檢測Sensor電容的變化。Sensor(電容式按鍵和滑條)就是PCB上的鋪銅，Sensor和地之間會有一個寄生電容Cp，當觸摸發生時，會再形成一個電容，稱作手指電容Cf, 這時候總的電容就變為Cs, 也就是Cp+Cf。如下圖所示。

Microchip 的ATTINY1616是一顆8位的MCU, 配合Atmel Studio開發環境可以非常方便地實現觸摸按鍵、滑條、滾輪等設計。

Microchip電容感應技術有兩種，一種是基於mTouch®技術CVD，許多PIC®器件支持CVD。另一種是QTouch®技術PTC，許多AVR® MCU、 SAM MCU和MPU都配有PTC。本方案ATTINY1616採用的是QTouch技術。

自電容傳感器模型如下：

電極的自電容是相對於電路GND網絡，測量傳感器電極對GND電容變化。

• 抗噪設計

噪聲問題是電容式觸摸無法避免的問題。在我們的生活中，有很多噪聲源，比如對講機、手機、電機、熒光燈、插座等。差模噪聲會影響所有的觸摸按鈕，例如輻射噪聲熒光燈以及靠近前面板的RF發射器，傳導噪聲前面板上的LED以及應用中的電機等。共模噪聲只影響被觸摸的按鍵，例如電源噪聲、開關模式PSU、與存在噪聲的設備有線通信等。共模噪聲並不明顯，只是在觸摸之後才能感受到，對於設計人員來說更有挑戰。不管是共模噪聲還是差模噪聲，在設計之初都需要考慮好抗噪。Microchip觸摸方案可以做到很好的抗噪設計，可以通過硬體設計+軟體調試實現。

• 防水設計

防水設計也是電容式觸摸需要考慮的問題。不管是水霧、水滴、還是水流，都會對按鍵或滑條本身的電容產生影響，產生誤觸摸或者觸摸無反應現象，如下圖所示。

Microchip觸摸方案可以通過增加Driven Shield或Driven Shield+來實現防水設計。

• 硬體設計

硬體設計的時候請注意面板不能是導電的！需要確認其成分！如果摻雜了“微量”金屬，一定要取得材料提前測試！要讓所有項目參與者了解，尤其是採購！

PCB Layout注意事項如下：

1. 走線儘量細。尤其是信號接收線。推薦走工藝許可的最小線寬。如果是ITO或PEDOT等高阻抗透明線，要綜合考慮阻抗和加寬之後可能引入的干擾。線長控制在150mm以內。
2. 透明材料有一個方阻的概念。而且阻值比較高（高的有Kohm級別）。在布線的時候時刻要注意用銀漿線降低阻抗。
3. 對於互容設計，X線可以與X線成束並排走線，Y線可以與Y線成束並排走線，線間距最好達到至少兩倍線寬。但是X線與Y線在非按鍵區一定要有地線隔離。地線寬至少取X/Y線寬的3倍。
4. X/Y引腳預留0603尺寸以上的電阻，以處理可能的EMC問題。電阻靠近晶片擺放。
5. 如果結構上實在沒有辦法搞定ESD，可以考慮外加TVS。需要考慮總體的電容量，選擇容值足夠小的器件，並擺放在PCB板進線處。
6. 如果通過接口轉接，接口要儘量靠近晶片擺放。
7. 儘量遠離電源線/地線/其他信號線，尤其是大電流的高速切換信號線，比如PWM調光的LED連線，要通過地層隔離、移到其他層和/或使用Driven Shield的方式降低干擾。
8. 電極與Shield的耦合要儘量低；電極與 GND在各個方向上的間距至少為前面板厚度的一半。詳細信息請參見如下鏈接“layout with driven shield”的部分 http://microchipdeveloper.com/touch:guide-for-ptc-driven-shield-design同時要注意，這種方式不適合FPC。

• 軟體設計

ATTINY1616可以通過Atmel Studio（Microchip Studio）或MPLAB-X-IDE集成開發環境進行軟體設計。

本文以Atmel Studio為例進行設計。下載網址：https://www.microchip.com/en-us/development-tools-tools-and-software/microchip-studio-for-avr-and-sam-devices

Microchip MCU的優勢之一就是集成了CIP（獨立於內核的外設）,  ATTINY1616也不例外。 QTouch®外設觸摸控制器（ Peripheral Touch Controller， PTC）可以用於按鈕、滑條和滾輪設計，提供用於電容式觸摸測量的內置硬體。 PTC 支持互電容和自電容測量，無需任何外部元件，即能夠提供出色的靈敏度、抗噪性以及自校準功能，並且可最大限度地降低用戶調節靈敏度所需的工作量。

使用Atmel Studio可以非常方便的添加按鍵、滑條、滾輪等設計，並且對參數進行調節。

使用Data Visualizer可視化觸摸數據調試可以非常方便直觀地觀測到觸摸存在時數據和圖形的變化。

• 調試工具

調試工具可以選擇MPLAB PICkit 4（對應開發環境MPLAB-X-IDE）或ATATMEL-ICE（對應開發環境Atmel Studio）。

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