Rozwiązania HMI z pojemnościowymi sensorami dotykowymi

| Technika

Dotykowe sensory pojemnościowe są popularną alternatywą dla przełączników i pokręteł mechanicznych umieszczanych na płytach czołowych w aplikacjach elektroniki użytkowej, w zastosowaniach przemysłowych oraz motoryzacji. Pozwalają zrealizować atrakcyjne wizualnie rozwiązanie interfejsu użytkownika zawierającego wyświetlacz obsługiwany przez dotykanie, a także przyciski/suwaki, czujniki rozpoznawania gestów i podobne funkcje przy zachowaniu wodoodporności i z możliwością obsługi urządzeń w rękawiczkach.

Rozwiązania HMI z pojemnościowymi sensorami dotykowymi

Technologia CapSense

Rozwiązania z rodziny CapSense obejmują pojemnościowe sensory dotykowe firmy Infineon. Elementy te wykrywają zmiany pojemności między metalową elektrodą sensora a otoczeniem, która zmienia się w obecności palca. Typowy czujnik pojemnościowy składa się z miedzianej elektrody wykonanej w postaci pola (padu) na powierzchni płytki drukowanej przykrytej nieprzewodzącą nakładką pełniącą funkcję powierzchni dotykowej przycisku (panelu czołowego aplikacji). Istnieją dwa rodzaje metod wykrywania dotyku. Pierwsza opiera się na pomiarze pojemności własnej czujnika (Self-Capacitive Sensing, CSD). W niej zbliżenie palca zmienia pojemność kondensatora stworzonego przez płytkę czujnika i masę odniesienia wokół niego.

Czujnikiem jest pad na PCB, a pomiar dotyczy zmiany wartości pojemności elektrody czujnika w stosunku do masy. Ten rodzaj czujnika jest często wykorzystywany w przyciskach, suwakach i czujnikach obsługiwanych jednym palcem. Zamiast miedzianego padu elektroda może też być wykonana ze szkła przewodzącego typu ITO lub być napylonym na szkło srebrem, a nawet warstwą przewodzącej farby (rys. 1).

Inny sposób to detekcja pojemności wzajemnej (Mutual-Capacitive Sensing, CSX). W metodzie tej pomiar jest realizowany między dwiema elektrodami: nadawczą (Tx) i odbiorczą (Rx). Zbliżenie palca powoduje, że CM maleje, co wywołuje zmianę ładunku na elektrodzie Rx i jej potencjału. W taki sposób działają panele dotykowe wyświetlaczy obsługujące dotknięcie wieloma palcami naraz.

 
Rys. 1. Zasada wykrywania dotyku przez pomiar pojemności własnej
 
Rys. 2. Detekcja pojemności wzajemnej (Mutual-Capacitive Sensing, CSX)

Wyzwania związane z projektowaniem niezawodnych rozwiązań dotykowych

Zbudowanie niezawodnie działającego urządzenia z czujnikami pojemnościowymi stawia przed projektantami elektroniki wiele wyzwań. Wykrywanie dotyku wymaga pomiaru pojemności na poziomie femtofaradów, bo elementy czujnikowe są niewielkie tak samo jak zmiany pojemności wywołane obecnością palca. Warunki pomiaru utrudnia kilka źródeł zakłóceń, które mogą negatywnie wpływać na odczyt i powodować fałszywe zadziałania. Są to czynniki środowiskowe jak płyny lub przedmioty metalowe znajdujące się w polu czujnika, kurz, wilgoć na panelu frontowym lub zakłócenia elektromagnetyczne od innego sprzętu elektronicznego. Interfejs dotykowy musi niezawodnie działać we wszystkich warunkach eksploatacji urządzeń oraz musi spełniać wymagania prawne w zakresie EMC.

Poza tym dobry interfejs dotykowy powinien zapewniać odporną mechanicznie konstrukcję, dawać krótki czas reakcji na dotyk przy małym poborze mocy. Ważna jest też estetyka rozwiązania i niewielkie wymiary czujnika pozwalające na łatwą integrację w ramach panelu frontowego urządzeń.

Infineon oferuje zaawansowane rozwiązania czujników dotykowych, które charakteryzują się dużą odpornością na wszelkiego rodzaju zakłócenia i działają niezawodnie w wymienionych trudnych warunkach środowiskowych. Zapewnia to rozbudowana konstrukcja układowa kontrolera dotykowego i zaawansowane algorytmy oprogramowania firmware, które razem zapewniają prostotę aplikacyjną i dają niezawodne rozwiązanie detektora pojemnościowego. Istotne parametry detektorów tego typu obejmują:

  • Stosunek sygnału do szumu: jest to najważniejszy parametr. Duży SNR wskazuje na niezawodność interfejsu dotykowego. Dla czujników Infineona stosunek sygnału do szumu (SNR) jest większy niż 100:1.

  • Wysoka tolerancja na ciecze: wykrywanie dotyku musi działać niezawodnie w obecności kropelek wody, mgły i innych cieczy znajdujących się na polu dotykowym czujnika oraz jednocześnie zapewniać brak fałszywej aktywacji nawet podczas mycia pola sensorowego pod strumieniem wody. Z tego powodu elektroda czujnikowa jest ukryta pod osłoną (panelem), co chroni czujnik przed środowiskiem. Niezawodna detekcja w takich warunkach jest zapewniana przez techniki wykrywania hybrydowego, tj. zdolność czujnika do wykonywania wielu typów pomiarów (pojemności własnej elektrody i wzajemnej), co umożliwia podejmowanie decyzji o aktywacji wyjścia w oparciu o wiele danych. Jest to bardzo przydatne i ważne w przypadku sprzętu AGD, w którym panel dotykowy może zostać zabrudzony podczas korzystania, potem być czyszczony wilgotną ściereczką itp.

  • Kompatybilność EMC i odporność na EMI: pomiary pojemności czujnika bazują na metodach rezonansowych z użyciem sygnałów w.cz., stąd częstotliwość pracy czujnika jest ważnym parametrem z punktu widzenia emisji zaburzeń elektromagnetycznych, jak również jest ważna dla zapewnienia odporności detektora na zewnętrzne źródła zakłóceń elektrycznych, np. od oświetlenia. Rozwiązania produktowe wykorzystują w tym zakresie kilka technologii, np. zegar taktujący z rozpraszaniem widma (Spread Spectrum Clock, SSC) i sekwenser pseudolosowy (PRS), które rozkładają widmo sygnału zegara na szersze pasmo częstotliwości. Rozproszenie widma zapewnia również, że układ detektora jest niewrażliwy na zakłócenia powodowane przez określone stałe częstotliwości i ich harmoniczne.

  • Inna metoda eliminacji zakłóceń to tzw. skanowanie wieloczęstotliwościowe (Multi-Frequency Scan, MFS), polegająca na realizacji wielu odczytów przy różnych częstotliwościach taktowania. Zwiększa to pewność odczytu, pozwalając uniknąć blokady przez silne stabilne zakłócenia i ułatwia spełnienie wymagań norm EMC w zakresie emisji. Jest to bardzo ważne w przypadku użycia interfejsu dotykowego w urządzeniach przemysłowych, ponieważ oczekuje się tam niezawodnej pracy w trudnych warunkach.

  • Trudne warunki pracy: interfejs dotykowy wykorzystuje jako zasadę działania zmianę pojemności elektrod wywołaną zbliżeniem palca. Pomiary takie mogą też być czułe na czynniki środowiskowe, takie jak wilgotność i temperatura. Odporność na takie czynniki otaczające czujnik dotykowy jest ważna w przypadku urządzeń, gdzie takie warunki szybko się zmieniają, jak płyta kuchenna (szybka zmiana temperatury). Dlatego nowoczesne rozwiązania układowe opierają się na pomiarach względnych, aby sprostać temu wyzwaniu.

Wszechobecna miniaturyzacja i coraz większa integracja elektroniki w urządzeniach powodują, że znaczenie niezawodnego działania czujników dotykowych w otoczeniu innych komponentów i systemów składających się na urządzenie, w tym obwodów komunikacji bezprzewodowej, staje się ważne dla realizacji dobrego interfejsu HMI. Rozwiązania Infineona od blisko dekady są klasyfikowane jako najlepsze pod tym względem w branży.

Szybkość reakcji

Szybkość działania detektora określa, jak szybko interfejs dotykowy reaguje na dotyk palca. Dla zapewnienia płynnego działania, prosty interfejs z przyciskami dotykowymi wykrywający stan włączenia lub wyłączenia wymaga częstotliwości raportowania stanu rzędu 40 Hz. W przypadku suwaka lub ekranu dotykowego, który wykrywa i śledzi pozycje palców, a także wykrywa gesty, wymagania na szybkości odpowiedzi zapewniającą płynność są już na poziomie od 60 do 120 odczytów na sekundę.

Rozwiązania sensorów dotykowych Infineona zapewniają częstotliwość odczytów wyższą niż 120 Hz. Osiąga się to znaza pomocą wydajnego cyfrowego przetwornika delta-sigma konwertującego pojemność sensora bezpośrednio na cyfrę, a w niektórych kontrolerach także przy użyciu wielu takich konwerterów działających równolegle.

Mały pobór mocy

W większości przypadków dotykowy interfejs HMI będzie zawsze aktywny, także w trybie gotowości produktu, ponieważ to właśnie za jego pomocą użytkownicy wybudzają produkt z uśpienia. Stąd pobór mocy przez czujnik dotykowy jest bardzo ważny, a w przypadku sprzętu zasilanego z baterii nawet jest kluczowy.

Optymalizacja zużycia energii przez system dotykowy wymaga wybrania chipa, który ma w specyfikacji najniższy pobór mocy, ale należy pamiętać, że często mała moc jest uzyskiwana kosztem wolniejszej odpowiedzi. Zapewnienie jednocześnie efektywności energetycznej i responsywności osiąga się poprzez usypianie kontrolera pomiędzy odczytami, łączenie sensorów w gangi (połączone zespoły) w ramach jednego układu scalonego i za pomocą różnego typu technik hybrydowych. Połączenie wielu czujników w jednym sensorze umożliwia skrócenie czasu skanowania, a więc zapewnienie dłuższego okresu uśpienia. Z kolei czujniki hybrydowe umożliwiają skanowanie sensorów za pomocą różnych metod, wybierana jest taka, która wykorzystuje najniższy średni pobór mocy do wykrywania dotyku w trybie czuwania i inna gwarantująca responsywność w trybie aktywnym. Dlatego należy starannie wybrać kontroler z funkcjami i elastycznością umożliwiającą optymalizację całkowitego poboru mocy, aby osiągnąć najlepsze wyniki.

Estetyka i miniaturyzacja

Dzisiejsi klienci szukają unikatowych rozwiązań produktów o doskonałej estetyce, które są dziełami sztuki inżynierskiej. Ponieważ produkty stają się coraz mniejsze, zaprojektowanie interfejsu dotykowego na bardzo ograniczonej przestrzeni jest coraz większym problemem. Nacisk na to, aby kontroler dotykowy zajmował mało miejsca, jest znaczący, a to przekłada się na rosnące wymagania techniczne w zakresie detekcji, m.in. czułość, odporność na zakłócenia itd.

Układy MCU PSoC z obsługą CapSense

Pojemnościowa technologia dotykowa firmy Infineon jest oferowana głównie w 3 wariantach produktów:

MBR, czyli konfigurowalny kontroler CapSense, który nie wymaga tworzenia oprogramowania firmware ani ręcznej kalibracji. Pozwala on szybko i łatwo zastąpić mechaniczne przyciski elegancką i niezawodną wersją dotykową. Jest to jeden z najłatwiejszych i najszybszych sposobów implementacji interfejsu dotykowego (rys. 3).

 
Rys. 3. MBR – konfi gurowalne kontrolery dotykowe
 
Rys. 4. PSoC 4 MCU – programowalne rozwiązanie dotykowe

PSoC 4 MCU – mikrokontrolery z wbudowanym kontrolerem dotykowym. Programowalność zapewnia większą elastyczność we wdrażaniu złożonych interfejsów i kalibracji wydajności interfejsu dotykowego. Programowalne bloki analogowe i cyfrowe w rodzinie PSoC 4 pozwalają stworzyć analogowy front-end i prosto zintegrować czujniki z aplikacją, a bloki komunikacji przewodowej (USB, CAN, I2C, SPI, UART) i bezprzewodowej (BLE) zintegrowane z niektórymi PSoC-ami upraszczają budowę urządzeń (rys. 4).

Rysunek 5 przedstawia dostępne portfolio układów PSoC 4 CapSense z wbudowanym interfejsem dotykowym HMI, które mają znacznie większą funkcjonalność niż tylko wykrywanie dotyku, dzięki czemu nadają się do wersji klasyfikowanych jako HMI Plus lub do pracy w roli głównego sterownika systemu. Na przykład wersje ze zintegrowanym CapSense, blokiem Analog Front End (AFE) + peryferiami cyfrowymi idealne nadają się do zastosowań w sprzęcie AGD (rys. 5).

 
Rys. 5. Dostępne portfolio układów PSoC 4 CapSense z wbudowanym interfejsem dotykowym

Rodzina PSoC 6 MCU zapewnia jeszcze większą funkcjonalność. Jest to dwurdzeniowy procesor aplikacyjny do IoT z dotykowym interfejsem HMI, komunikacją bezprzewodową, jednostką grafiki, zabezpieczeniami i innymi funkcjonalnościami. Zawiera rdzenie Arm Cortex-M4 o częstotliwości taktowania 150/100 MHz oraz Arm Cortex-M0 + o ultraniskiej mocy. Jest to wiodące w branży rozwiązanie o bardzo małym poborze mocy, zaledwie 22 μA/MHz w trybie zasilania aktywnego.

Układ zapewnia ponadto komunikację Wi-fiz obsługą ModusToolbox i usług w chmurze, takich jak Amazon Web Services i ma zintegrowane sprzętowe środowisko Secure Execution Environment z bezpiecznym przechowywaniem danych (rys. 6).

 
Rys. 6. MCU PSoC 6 – specjalnie zbudowane kontrolery hosta IoT

Kompleksowe oprogramowanie z intuicyjnym interfejsem GUI (ModusToolbox)

Wdrożenie w systemach embedded i IoT interfejsu dotykowego wymaga poza jak najlepszym chipem kontrolera przyjaznego oprogramowania. W tym obszarze Infineon dostarcza konstruktorom bibliotekę funkcji dotykowych i narzędzi Modus IDE, która umożliwia szybką implementację interfejsu dotykowego z użyciem kilku funkcji API.

 
Rys. 7. Rozwiązanie CapSense w ModusToolbox

Biblioteka oprogramowania CapSense Middleware Touch zapewnia zestaw funkcji API niezbędnych do szybkiego wdrożenia interfejsu dotykowego. Dodatkowo kreator z graficznym interfejsem pozwala na dostosowywanie biblioteki i tworzenie interfejsów, widżetów oraz konfigurowania opcji dla każdej aplikacji. Jest też narzędzie o nazwie Tuner Soft ware do analizy wydajności interfejsu dotykowego, regulacji czułości, testowania i debugowania z użyciem I2C, UART, Bluetooth (rys. 7). Konstruktorom, którzy chcą sprawdzić możliwości, jakie kryją się w opisanych rozwiązaniach, Infineon dostarcza dokumentację kompleksowo wspierającą projekt od koncepcji do produkcji, przykłady kodu oprogramowania dla rozwiązań CapSense Touch HMI. Są też liczne zestawy deweloperskie jak np. popularny "Pioneer".

 

Jaya Bindra i Vibheesh Bharathan,
Infineon Technologies

Infineon
www.infineon.com

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie