Емкостные тактильные датчики – популярная альтернатива механическим переключателям и ручкам управления на лицевой панели в бытовой электронике, промышленных и автомобильных устройствах. Они обеспечивают визуально привлекательное решение для интерфейса, которое включает в себя сенсорный дисплей, а также кнопки / ползунки, датчики распознавания жестов и аналогичные функции, оставаясь при этом водонепроницаемыми и с возможностью управления даже в перчатках.
Технология CapSense
Решения CapSense включают емкостные сенсорные датчики Infineon. Эти элементы обнаруживают изменения емкости между металлическим электродом датчика и окружающей средой, которая изменяется в зависимости от наличия пальца руки. Типичный емкостный датчик состоит из медного электрода, выполненного в виде площадки на поверхности печатной платы, покрытой непроводящей накладкой, которая выполняет функцию сенсорной поверхности кнопки (лицевой панели приложения). Есть два типа методов обнаружения касания. Первый основан на измерении собственной емкости датчика (Self-Capacitive Sensing, CSD). В нем касание пальца изменяет емкость конденсатора, образованного пластиной датчика, и эталонную массу вокруг нее.
Датчик представляет собой площадку на печатной плате, и измерение касается изменения значения емкости электрода датчика по отношению к массе. Этот тип сенсора часто используется в кнопках, ползунках и сенсорах. Вместо медной площадки электрод также может быть изготовлен из токопроводящего стекла типа ITO, или может быть напыленным на стекло серебром, или даже слоем токопроводящей краски.
Другой подход – через взаимно-емкостное зондирование (CSX). В этом методе измерение выполняется между двумя электродами: передающим (Tx) и приемным (Rx). Приближение пальца приводит к уменьшению CM, что приводит к изменению заряда и потенциала Rx-электрода. Так сразу работают сенсорные панели дисплея, поддерживающие касание несколькими пальцами.
Разработка сенсорных решений
Создание надежного устройства с емкостными датчиками ставит перед разработчиками электроники множество задач. Для обнаружения прикосновения требуется измерение емкости на уровне фемтофарад, поскольку чувствительные элементы малы, как и изменения емкости вызванные присутствием пальца. Условиям измерения мешают несколько источников помех, которые могут отрицательно повлиять на показания и вызвать ложное срабатывание. Это факторы окружающей среды, такие как жидкости или металлические предметы в поле датчика, пыль, влажность на передней панели или электромагнитные помехи от другого электронного оборудования. Сенсорный интерфейс должен надежно функционировать при любых условиях эксплуатации устройств и соответствовать законодательным требованиям по электромагнитной совместимости.
Кроме того, хороший сенсорный интерфейс должен иметь механически стойкую структуру, обеспечивать короткое время отклика на прикосновение и низкое энергопотребление. Также важны эстетика решения и небольшие размеры датчика, что позволяет легко встраивать его в переднюю панель устройств.
К важным параметрам относятся:
- Отношение сигнал / шум: это самый важный параметр. Высокий SNR указывает на надежность сенсорного интерфейса. Для датчиков Infineon отношение SNR больше 100:1.
- Высокая устойчивость к жидкостям: обнаружение касания должно надежно работать при наличии капель воды, тумана и других жидкостей в зоне касания датчика и в то же время гарантировать отсутствие ложной активации даже при промывании поля датчика струей воды. По этой причине чувствительный электрод скрыт под крышкой (панелью), защищающей датчик от окружающей среды. Надежное обнаружение в таких условиях обеспечивается гибридными методами обнаружения, то есть способностью датчика выполнять несколько типов измерений (собственная и взаимная емкость), что позволяет принимать решение об активации выхода на основе большого количества данных. Это очень важно для бытовой техники, в которой сенсорная панель может загрязняться во время использования, а затем очищаться влажной тканью.
- Совместимость с электромагнитными помехами: измерения емкости датчика основаны на методах резонанса с использованием радиочастотных сигналов, поэтому рабочая частота датчика является важным параметром с точки зрения излучения электромагнитных помех, а также для обеспечения устойчивости к внешним источникам электрического тока, например помехи от LED драйверов освещения. В этой области используется несколько технологий, например тактовый генератор с расширенным спектром (SSC) и псевдослучайный секвенсор (PRS), которые разбивают спектр тактового сигнала на более широкую полосу частот. Расширение спектра также гарантирует нечувствительность детекторной схемы к помехам, вызванным определенными постоянными частотами и их гармониками. Еще один метод устранения помех – так называемое Многочастотное сканирование (MFS), заключающееся в выполнении множественных считываний на разных тактовых частотах. Это увеличивает точность считывания, предотвращая засорение из-за сильных стабильных помех и способствует соблюдению стандартов электромагнитной совместимости. Это важно при использовании сенсорного интерфейса в промышленном оборудовании, поскольку ожидается, что оно будет надежно работать в сложных условиях.
- Тяжелые условия работы: принцип работы сенсорного интерфейса заключается в изменении емкости электрода, вызванном приближением пальца. Такие измерения также могут быть чувствительны к факторам окружающей среды, таким как влажность и температура. Устойчивость к факторам, окружающим сенсорный датчик, важна для приборов где такие условия быстро меняются, например для варочной панели (быстрое изменение температуры и загрязнение едой). Поэтому современные схемные решения полагаются на относительные измерения для решения этой проблемы. Повсеместная миниатюризация и растущая интеграция электроники в устройства означают, что важность надежной работы сенсорных датчиков вблизи других компонентов и систем, составляющих устройство, включая схемы беспроводной связи, становится важной для реализации хорошего HMI.
- Скорость реакции детектора определяет, насколько быстро сенсорный интерфейс реагирует на прикосновение пальца. Для бесперебойной работы простой интерфейс сенсорной кнопки, определяющий состояние включения или выключения, требует частоты сообщений о состоянии 40 Гц. Для слайдера или сенсорного экрана который обнаруживает и отслеживает положение пальцев, а также обнаруживает жесты, требования к скорости плавного отклика составляют от 60 до 120 показаний в секунду. Сенсорные датчики Infineon обеспечивают частоту считывания выше 120 Гц. Это достигается за счет использования эффективного цифрового дельта-сигма преобразователя, который преобразует емкость датчика непосредственно в цифру, а в некоторых контроллерах также за счет использования нескольких таких преобразователей, работающих параллельно.
- Низкое энергопотребление. В большинстве случаев HMI всегда будет активен, в том числе в режиме ожидания, поскольку именно здесь пользователи выводят продукт из спящего режима. Следовательно, энергопотребление сенсорного датчика очень важно, а в случае оборудования с батареечным питанием – даже критично.
Оптимизация энергопотребления сенсорной схемы требует выбора микросхемы с наименьшими характеристиками по току в спецификации, но часто низкая мощность достигается за счет более медленного отклика. Обеспечение энергоэффективности и оперативности одновременно достигается переводом контроллера в спящий режим между считыванием показаний, объединением датчиков в группы внутри одного чипа и использованием различных типов гибридных методов. Комбинация множества датчиков в одном датчике позволяет сократить время сканирования и, таким образом, обеспечить более длительный период сна. С другой стороны, гибридные датчики позволяют сканировать их с помощью различных методов: выбирается тот, который использует наименьшее среднее энергопотребление для обнаружения касания в режиме ожидания, а другой гарантирует отзывчивость в активном режиме.
MCU PSoC с поддержкой CapSense
Емкостная сенсорная технология Infineon в основном предлагается в трех вариантах:
MBR, то есть настраиваемый контроллер CapSense, не требующий разработки прошивки или ручной калибровки. Он позволяет быстро и легко заменить механические кнопки на надежную сенсорную версию. Это один из самых простых и быстрых способов реализовать сенсорный интерфейс.
PSoC 4 MCU – микроконтроллеры со встроенным сенсорным контроллером. Возможность программирования обеспечивает большую гибкость при реализации сложных интерфейсов и калибровке производительности. Программируемые аналоговые и цифровые блоки в семействе PSoC 4 позволяют создавать аналоговый интерфейс и легко интегрировать датчики с приложением, а проводные (USB, CAN, I2C, SPI, UART) и беспроводные (BLE) блоки, интегрированные с некоторые PSoC упрощают конструкцию устройств.
Семейство микроконтроллеров PSoC 6 предлагает еще больше функциональных возможностей. Это двухъядерный процессор устройств IoT с сенсорным HMI, беспроводной связью, графическим блоком, безопасностью и другими функциями. В него входят ядра Arm Cortex-M4 с тактовой частотой 150/100 МГц и Arm Cortex-M0+ со сверхнизким энергопотреблением. Это ведущее в отрасли решение с очень низким энергопотреблением, всего 22 мкА / МГц в режиме активной мощности.
Система также обеспечивает связь по Wi-Fi с поддержкой ModusToolbox и облачными сервисами, такими как Amazon Web Services, и имеет интегрированную аппаратную среду Secure Execution Environment с безопасным хранилищем данных.
Комплексное программное обеспечение с интуитивно понятным графическим интерфейсом (ModusToolbox). Реализация сенсорного интерфейса во встроенных системах и системах Интернета вещей требует, помимо самого лучшего чипа контроллера, удобного программного обеспечения. В этой области предоставляется разработчикам библиотека сенсорных функций и инструментов Modus IDE, которая позволяет быстро реализовать сенсорный интерфейс с использованием нескольких функций API.
Библиотека CapSense Middleware Touch предоставляет набор API, необходимых для быстрой реализации сенсорного интерфейса. Кроме того, мастер с графическим интерфейсом позволяет настраивать библиотеку и создавать интерфейсы, виджеты и настраивать параметры для каждого приложения. Также существует инструмент Tuner Software для анализа производительности сенсорного интерфейса, настройки чувствительности, тестирования и отладки с использованием I2C, UART, Bluetooth.
