Jako rynkowy lider w dziedzinie czujników dotykowych, firma Infineon podejmuje kolejny krok w kierunku rozwoju tej technologii, rozszerzając wiodącą w branży serię czujników pojemnościowych CAPSENSE o rozwiązania czujników indukcyjnych Multi-Sense.
Czujniki indukcyjne uzupełniają czujniki pojemnościowe
Na pierwszy rzut oka czujniki indukcyjne są podobne do pojemnościowych. Niemniej wersje indukcyjne działają na powierzchniach metalowych i dodatkowo pozwalają określić siłę dotyku. Co więcej, technologia czujników indukcyjnych jest również niewrażliwa na wilgoć, dlatego interfejs użytkownika z ich użyciem może działać niezawodnie nawet pod powierzchnią wody.
Przyciski dotykowe tego typu umieszczone pod metalową płytką pozwalają projektantom tworzyć eleganckie rozwiązania, które nie mają wycięć i są wyjątkowo estetyczne. Podobnie jak czujniki pojemnościowe, wersje indukcyjne są pyłoszczelne, nie ulegają zużyciu i umożliwiają łatwe czyszczenie dotykanej powierzchni sensora.
Istotne jest, że czujnik indukcyjny jest montowany na płytce drukowanej jako jej część i wymaga pozostawienia pustej przestrzeni pod przyciskiem, gdyż mierzy on ugięcie metalowej płyty, gdy użytkownik naciska jej powierzchnię. Dzięki układom PSOC 4 Multi-Sense firma Infineon dostarcza mikrokontroler, który wykrywa zmiany właściwości czujnika spowodowane ugięciem metalu w oparciu o nową, zastrzeżoną metodologię wykrywania flyback.
Do komunikacji z sensorem wykorzystuje się dwie linie GPIO do nadawania i odbioru sygnałów. Czujnik, to koncentryczna pętla ścieżek na PCB, tworząca cewkę indukcyjną, a metalowa membrana podatna na nacisk jest umieszczona w jej bliskiej odległości. Gdy kontroler dotykowy wzbudza cewkę, wokół niej tworzy się pole magnetyczne, a na powierzchni metalowej membrany płyną prądy wirowe. Te prądy wirowe oddziałują na pole magnetyczne w cewce czujnika, co w efekcie zmniejsza jej efektywną indukcyjność. Gdy metalowa membrana jest dociskana i przybliża się do cewki na PCB, prąd wirowy staje się silniejszy, pozwalając układowi PSOC 4 na wykrycie zmiany indukcyjności i wykrycie dotknięcia.
Mikrokontrolery PSOC 4 Multi-Sense pozwalają na obsługę sensorów pojemnościowych i indukcyjnych jako całości dzięki lokalnemu i szybkiemu przetwarzaniu danych z dwóch technologii wykrywania. Z tego powodu PSOC 4 Multi-Sense może niezawodnie i precyzyjnie wykrywać dotyk nawet w skrajnie niekorzystnych warunkach, w tym przy obecności zakłóceń, pod wodą, w rękawicy itp.
Detektory indukcyjne flyback
Rozwiązanie indukcyjnego wykrywania dotyku firmy Infineon opiera się na nowej i zastrzeżonej technologii o nazwie Flyback. Wcześniejsze podejścia do indukcyjnego wykrywania dotyku palca bazowały na oscylatorze pobudzającym obwód rezonansowy LC, który był rozstrajany przez zbliżający się do cewki palec, a wywołana tym zmiana amplitudy napięcia na obwodzie LC była wykrywana jako dotyk.
Taka metoda charakteryzowała się nieliniową czułością w funkcji odległości. Co więcej, pojemność kondensatora obwodu rezonansowego może się zmieniać w zależności od temperatury, tolerancji komponentów i tym samym wpływać na parametry czujnika. Obwód rezonansowy ma najmniejszą impedancję w rezonansie i dla zapewnienia dużej czułości trzeba dobrać częstotliwość oscylatora działania właśnie do tej wartości. Inaczej układ stanie się podatny na zakłócenia i wykrywanie dotyku nie będzie pewne. Starzenie się materiałów panelu metalowego i naturalne odkształcenia cewki w czasie stanowią więc istotne problemy układowe dla projektów czujników bazujących na obwodach rezonansowych.
W najgorszym przypadku detektor oparty na obwodzie LC mógłby dawać odwrotne wyniki, to znaczy sygnalizować zamiennie stany dotyku i braku kontaktu palca. Dla projektantów mógł to być nierozwiązywalny problem, ponieważ w niektórych urządzeniach wykrywanie dotyku mogłoby działać prawidłowo (czyli zgodnie z projektem), a w innych wskazania byłyby odwrotne.
Kolejnym wyzwaniem projektowym jest proces integracji i kwalifikacji urządzenia. Nie jest rzadkością, że problemy ze zgodnością w zakresie EMC wynikają właśnie z oddziaływania zewnętrznych i wewnętrznych źródeł zaburzeń EM na system interfejsu użytkownika. Częstotliwość rezonansowa detektora w postaci obwodu LC wynika z parametrów cewki na PCB i pojemności kondensatora zewnętrznego, a oprogramowanie firmware nie pozwala na zmianę częstotliwości oscylatora wzbudzającego obwód LC z uwagi m.in. na certyfikację i zasadę działania. Tak więc, przy dużym poziomie zakłóceń zewnętrznych problemy z działaniem interfejsu dotykowego stają się codziennością.
Technika detekcji Flyback daje napięcie wyjściowe o wartości wprost proporcjonalnej i liniowo zależnej od wartości indukcyjności sensora. Nie korzysta ona z zewnętrznego równoległego kondensatora obwodu rezonansowego i nie działa na zasadzie rozstrajanego zbliżeniem palca oscylatora. Tu nie ma częstotliwości rezonansowej i związanych z nią problemów. Flyback pozwala na szeroki zakres wzbudzenia czujnika, od około 0,5 do 6 MHz, przy częstotliwości roboczej układu detekcji do 46 MHz. Wszystko to prowadzi do lepszego stosunku sygnału do szumu w sygnale wyjściowym i dużej elastyczności wzbudzenia czujnika bez uszczerbku dla parametrów.
W tym przypadku możliwe jest zmienianie częstotliwości wzbudzenia czujnika podczas pracy w celu rozwiązania problemów ze zgodnością elektromagnetyczną oraz odpornością na zakłócenia. Ponadto układy Multi- Sense 5. generacji zawierają analogowy front-end z ilorazowo-różnicowym obwodem pomiarowym, zapewniający w szerokim zakresie częstotliwości roboczych doskonały stosunek sygnału do szumu. Oznacza to, że projektant systemu ma wybór – może wybrać dowolną żądaną częstotliwość pracy i nie musi martwić się o warstwę sprzętową.
Tymczasem, jeśli projektanci używający rozwiązania z obwodem rezonansowym LC napotkają problem z zakłóceniami, w większości przypadków ich jedyną drogą rozwiązania jest przeprojektowanie płytki drukowanej lub systemu czujników, ponieważ tamta metoda wykrywania jest zależna od parametrów komponentów i nie zapewnia żadnej elastyczności.
Technologia Flyback może działać przy różnych częstotliwościach roboczych czujnika, co zapewnia wiele możliwości, takich jak użycie rozpraszania widma sygnału zegara w celu ograniczenia podatności na zakłócenia zewnętrzne lub dla ograniczenia poziomu zaburzeń emitowanych przez czujniki indukcyjne w celu zapewnienia zgodności z EMC/EMI. Można też stosować skokowe zmiany częstotliwości w celu obniżenia podatności na zakłócenia zewnętrzne. W przeciwieństwie do detektorów z obwodem LC, które nie umożliwiają zmiany częstotliwości, wykrywanie dotyku we Flybacku nie ma takich ograniczeń.
Ze względu na taką elastyczność konstrukcja układowa nie musi ponadto spełniać ścisłych wymagań co do tolerancji komponentów. Ma to znaczący wpływ na prostotę i koszt systemu. Jeśli chodzi o zakres temperatur pracy, to detektor Flyback jest znacznie bardziej stabilny i tolerancyjny na działanie w skrajnych temperaturach niż konstrukcja LC. Obecność wody wpływa na oba te detektory w mniej więcej takim samym stopniu.
MCU z czujnikiem Multi-Sense firmy Infineon
Dzięki nowemu kontrolerowi Multi-Sense układy z rodziny PSOC 4000T Multi-Sense obsługują indukcyjne wykrywanie dotyku metodą Flyback, realizują wykrywanie poziomu cieczy oraz pojemnościowe wykrywanie CAPSENSE. Dzięki tym funkcjom nowy PSOC 4 realizuje cztery najlepsze w swojej klasie technologie detekcji w jednym układzie.
Nowy kontroler Multi-Sense w mikrokontrolerze PSOC 4 zapewnia mniejsze zużycie energii dzięki technice Always-on Sensing (AOS). PSOC 4 wykonuje skanowanie czujników autonomicznie bez udziału procesora. Ponieważ procesor i powiązane z nim zasoby pamięci pobierają znacznie większy prąd roboczy niż blok Multi-Sense, użycie trybu AOS zapewnia znaczne oszczędności w średnim zużyciu energii – nawet 10 razy niższe w porównaniu z poprzednimi modelami.
Konsumenci mają wysokie oczekiwania co do wykrywania dotyku HMI. Dzięki rozwiązywaniu niedociągnięć istniejących rozwiązań i zapewnianiu innowacyjnych nowych możliwości projektanci systemów mają teraz nowe sposoby na funkcjonalność.
www.infineon.com
