Jste zde

Dotyková a bezdotyková QTouch tlačítka od Atmelu

Antonín Vojáček, 18. Červen 2009 - 22:46

O kapacitních tlačítkách využívající patentovanou technologii QTouch společnosti Atmel jste si již mohli něco dozvědět v článcích kolegy Robenka. Zde jsem se však pokusil více zaměřit na to, jak to vlastně celé funguje a jak technologie QTouch kapacitu tlačítek vyhodnocuje. Nechybí stručný popis základních představitelů integrovaných QTouch kontrolerů a senzorů a informace jak QTouch snadno naroubovat i do běžného AVR MCU.

Co je technologie QTouch ?

Různí výrobci nazývají svůj systém bezkontaktních kapacitních tlačítek různě. Prakticky však vždy jde v základu o stejný princip, který si již nezadržitelně razí cestu světem elektronických zařízení. Prostě jde o dotykové, případně i bezdotykové snímání přítomnosti nějakého vodivého předmětu, obvykle lidského prstu, jako změnu kapacity mezi ním a snímací elektrodou umístěnou pod krycí vrstvou. Ta zároveň vytváří základní dielektrickou vrstvu s určitou permeabilitou. Pak již vše funguje jednoduše a vytvořená struktura představuje základní deskový kondenzátor, u něhož se výpočet kapacity učí již ve fyzice na základní škole. Takovou kapacitní dotykovou klávesnici si lze vyrobit docela jednoduše z kovových kontatních plošek třeba na desce plošných spojů překryté plastovou či skleněnou krycí vrstvou. Protože snímací elektrody lze průmyslově snadno vyrábět i jako průhledné (například z materiálu ITO známého jako průhledné elektrody na LCD displejích), může být dotyková klávesnice umístěná i přímo na displeji nebo tištěném plakátu, kde funkce tlačítek se může měnit v závislosti na obrazu pod nimi (dotykový displej). Jejich velkou výhodou proti rezistivní dotykové ploše je v obrovské odolnosti proti poškození, kdy škrábance ani prach na funkci tlačítek nemají vliv a také není nutné k jejich stisku vyvíjet absolutně žádnou sílu. To je výhodné nejen pro slabé prsty dětí, ale poskytují daleko rychlejší odezvu na „stisk“ a proto lze na kapacitní dotykové klávesnici psát stejně rychle jako na normální klávesnici, zatímco u rezistivní plochy to díky nutnosti dosáhnout dostatečné stiskové síly tak rychle nejde.

V případě společnosti Atmel se tento systém kapacitních tlačítek a dotykových nebo bezdotykových elektrod označuje jako QTouch. Pod touto zkratkou se však skrývá něco více. Jde o patentovanou metodu proti rušení odolného přenosu náboje ze snímací elektrody přímo do integrovaného obvodu bez dalších externích součástek.

 

Mechanická struktura QTouch tlačítek od Atmelu je obdobná jako udávané struktury jiných výrobců (např. Microchip mTouch)

Hlavní část QTouch tlačítka je snímací elektronika

Zatímco u klasické klávesnice i rezistivní dotykové plochy je klíčová samotná realizace dotykové struktury, v případě kapacitních tlačítek se celá problematika přenesla na elektronické snímací a vyhodnocovací obvody. A to je právě místo, kde se mohou jednotliví výrobci navzájem odlišovat a také odlišují. I zde však obecně platí, že náboj vytvořený na snímací elektrodě se přivádí na k tomu určený vstup měřící elektroniky, která je dnes téměř vždy tvořena malým integrovaným obvodem.


 

Nejinak je tomu i u snímacích a vyhodnocovacích QTouch obvodů Atmel, které však uvnitř nabízejí různé fígle, jak pro uživatele co nejjednodušeji a přesto co nejpřesněji přenést náboj a vyhodnotit ho. Základem techniky přenosu náboje technologie QTouch, resp. měření kapacity tlačítka, se zde využívá technika spínaného kondenzátoru (SC = Switched Capacitor) zapojeného do integrátoru, kde se porovnává kapacita sériového zapojení známého referečního integračního kondezátoru Cs a neznámého měřeného kondezátoru Cx prostřednictvím přesouvání / akumulace náboje.

Vychází se zde z faktu, že náboj je součinem kapacity a napětí na kondenzátoru. Změna náboje na kondezátoru pak odpovídá buď změně napětí na kondenzátoru s konstantní kapacitou nebo změně kapacity při napájení kondezátoru napájení konstatním napětím. Pokud budeme kondenzátor napájet dostatečně rychlým sledem napěťových impulsů, bude se stejnosměrné napětí na něm v době bez přítomnosti napájecího impulsu lišit v závislosti na jeho kapacitě. A protože změna náboje za čas je definice elektrického proudu, spínaný kondezátor se tak v tomto režimu chová jako rezistor, jehož vodivost je dána součinem kapacity a frekvence napájecích (budících) impulsů. Spínaný kondenzátor pak můžeme zapojit místo rezistoru do RC integrátoru, kde nahradí právě rezistor R. Pokud druhý kondenzátor C bude mít známou konstatní kapacitu (Cs), bude na něm měřené výstupní napětí při konstantní amplitudě a frekvenci budících impulsů (počtu impulsů v časovém úseku) úměrné právě hodnotě kapacity hledaného neznámého kondezátoru Cx, tedy kapacitě tlačítka. Citlivost pak můžeme snadno měnit buď změnou hodnoty kapacity Cs nebo frekvencí / počtem budících pulsů. Tímto způsobem lze zjistit hodnotu či změnu kapacity i řádu fF (fentofaradů), pokud však referenční integrační kondenzátor Cs je stabilní a jeho kapacita se nemění. Dále z výše uvedeného také vyplývá, že pro správnou funkci musí být hodnota Cs >> Cx. Typické hodnoty Cs jsou 2 - 50 nF.

Zpět však k samotné detekci "stisku" tlačítka. Snímací / vyhodnocovací obvod periodicky vysílá impulsy (skupinu sledu pulsů v tzv. burstu) na elektrodu a zjišťuje odezvu v podobě vzniklého napětí na integračním kapacitoru. V momentě bez „stisku“ se tak průběžně zjišťuje (měří) pouze aktuální referenční hodnota kapacity, která třeba zahrnuje i špínu na krycí desce. Tím se její vliv eliminuje. Dotykem či jen přiblížením například prstu k snímací plošce se vyhodnotí rychlá výrazná změna kapacity, která se pak vyhodnotí jako „stisk“ tlačítka. Aby se však eliminovaly náhodné detekce, musí pro indikaci stisku být snímací hranice překročena několikrát u posobě jdoucích měření.

V případě doteku / přiblížení prstu k snímací elektrodě dojde ke změně kapacity a tím i ke změně signálu z integrátoru.

Kvalita průběhu napájecích / budících pulsů každého tlačítka určují přesnost detekce "stisku".
Při konstrukci tlačítek je tak nutné tomu věnovat pozornost a zkontrolovat průběh na osciloskopu.

QTouch kontroléry a senzory Atmel

V případě QTouch technologie společnosti Atmel vykonávají snímání a vyhodnocení buď specializované intergrované obvody tzv. QTouch kontroléry nebo díky speciálním knihovnám i klasické MCU Atmel, které spíše než samotný dotyk prstu vyhodnocují již jeho přiblížení. To představuje maximální zrychlení ovládání (stisku tlačítka), ale zvyšuje možnost nechtěného „stisku“ přiblížení jiné části ruky k dalšímu (vedlejšímu) tlačítku. QTouch obvody Atmel však pro tyto účely obsahují kvalitní zpracovnání signálu zabraňující „falešný stisk“ vytvořený výboji elektrostatického pole nebo nechtěného přiblížení předmětu. Samozřejmě mnoho negativních vlastností se dá již odstranit vhodným provedením snímacích plošek.

QTouch senzory tvořené snímacími elektrodami a QTouch kontrolérem mohou být buzeny snímacím signálem buď jednotlivě nebo více tlačítek najednou. V druhém případě je pak možné individuálně pro každé tlačítko nastavit reakční úroveň, čímž lze mimo jiné i zajistit stejnou citlivost malých a velkých tlačítek různých tvarů a rozměrů.

QTouch technologie umožňuje provozovat v obou zmíněnách režimech „stisku“ tlačítka:

  • V režimu dotyku je systém provozován s nižší citlivostí a je nutné se dotknout plochy tlačítka
  • V režimu přiblížení je systém provozován s vyšší citlivostí a prst stačí jen přiblížit k ploše tlačítka

Pro zajištění co nejlepší elektromagnetické kompatability využívají QTouch tlačítka modulaci s rozprostřeným spektrem (přelaďování frekvence o +/- 7,5 %) a rozptýlenými náhodnými nabíjecími pulsy s dlouhým zpožděními mezi skupinami impulsů, tzv. bursty (burst = impulsní signál vyplňující jeden časový úsek). Přičemž individuální pulsy mohou být kratší než 5% doby intra-burst pulsu. Výhoda tohoto řešení je nízké vzájemné ovlivňování jednotlivých tlačítek, nižší vliv vnějšího rušení a nízká el. spotřeba.

Provedení tlačítek technologií QTouch také charakterizuje automatická kompenzace driftu pro eliminaci pomalu se měnících okolních podmínek, nanesené špíny nebo stárnutí materiálů snímacích míst. Také mají dynamický rozsah několik dekád a jejich provedení s obvody Atmel nevyžaduje připojení žádných cívek, oscilátorů, RF komponent, RC prvků nebo velkého množství externích součástek.

Dále umožňují řešit nežádoucí parazitní jev, kde jsou dvě nebo více tlačítek tak blízko sebe, že přibližující prst může způsobit změnu kapacity více než jedné snímací plošky. K tomu slouží patentovaný systém potlačení okolních tlačítek se zkratkou AKS (Adjacent Key Suppression). Ten využívá iteraktivní techniku opakovaného měření změny kapacity každého tlačítka a jejím porovnáním určit, které znich uživatel chtěl stisknout. AKS tak umožňuje potlačit nebo ignorovat signály ostatních tlačítek a zajistit, že pouze signál z požadovaných tlačítek zůstane nad spínací / rozhodovací úrovní. Dá se tak účinně eliminovat nechtěné náhodné stisky.

 

Základní jednokanálový QTouch senzor QT100A

QT100A je základní dotykový digitální senzor v 6vývodovém pouzdru WSON umožňující detekovat a vyhodnot přiblížení nebo dotyk. Byl vyvinutý pro realizaci tlačítek tvořené elektrodou umístnou pod jakýkoli dielektrický (nevodivý) povrch jako je sklo, plast, kámen, keramika nebo některé druhy dřeva pro aplikace typu HMI, řídící panely, hračky, řízení osvětlení a prakticky všude tam, kde se dnes využívají klasická mechanická tlačítka.

Obvod je vybaven vlastní automatickou kalibrací. Při spotřebě do 600µA se senzor vyznačuje rychlou funkcí, přičemž v případě nízkopříkonového módu se odběr sníží na cca 6 až 12 µA při napájení 2 VDC. Při tom ve většině případů napájecí napětí nemusí být nijak speciálně úpravováno, stačí klasická stabilizace 3vývodovými integrovanými stabilizátory. Je jich použití pouze vyžaduje osadit jen X7R keramický kondezátor.

Základní vlastnosti:

  • Napájení: 2,0 až 5,5 VDC
  • Max. počet tlačítek: 1
  • Univerzální vstupy / výstupy: žádné
  • Komunikace s okolím:
    • 1 binární výstup indikující stisk tlačítka
    • 1 vstup nastavující režim funkce / synchronizace
  • Použité technologie: QTouch (přenos náboje v rozprostřeném spektru)
  • Interní zprac. signálů: automatická kalibrace, autokompenzace driftu, filtrace šumu
  • Nastavení citlivosti: externím kondenzátorem Cs
  • Detekční úroveň: pevná 10 taktů (budících pulsů)
  • Regulace rychlosti reakce: rychlý a pomalý režim nastavený signálem na vstupu SYNC
  • Vyhodnocení stisku: překročení detekční hranice po dobu 4 měřících cyklů

 

Ukázky několika režimů obvodu QT100A: přepínání mezi aktivním a sleep režimem, nejrychlejší měřící režim (zpoždnění mezi bursty je 1 ms), režim pulsní synchronizace s jinými obvody

 

Dotykový senzor Atmel AT42QT1040 a QT1060

Tyto integrované obvody jsou nenákladné 4- a 6-kanálové QTouch systémy pro snímání a vyhodnocení dotykových nebo bezdotykových kapacitních tlačítek. Vyrábí se v miniaturním 20vývodovém VQFN pouzdru velikosti 3 x 3 mm, resp. 4x4 mm pouzdru MFL, a oba se vyznačují se velmi malou spotřebou. To hlavně kvůli snadné vestavbě do různých malých přístrojů a spotřební elektroniky napájení i z baterií či solárních článků.

V širokém rozmezí nastavitelná citlivost umožňuje tlačítka realizovat s různými tloušťkami panelů z různých materiálů, pro různé tvary a velikosti. Z pohledu materiálu pro samotné elektody je vhodná měď, stříbro, uhlík a ITO. Krycí vrstvy tloušťky až 10 mm mohou být ze skla, plastu, kompozitního materiálu nebo v podobě nátěru barvy. Senzor může být nastaven jak pro funkci dotyku, tak i pro funkci přiblížení, kde lze využít i například pro funkci schování tlačítka až do doby, kdy po přiblížení k němu se rozsvítí díky podsvětlení LED diodami, pro které je již integrovány budiče (jen verze 1060). Samozřejmě nemůže chybět již zmíněná technologie AKS, která umožňuje bez větších potíží realizovat i miniauturní klávesnici. Informaci o aktuálním stavu snímacích vstupů obvodu lze přečíst na binárních výstupech, kde každý výstup odpovídá příslušnému snímacímu vstupu, nebo digitálně po sériové lince. V případě verze 1060 se pak obvod přes linku I2C i softwarově ovládá.

Příklad připojení snímacích elektrod 5 tlačítek k QTouch kontroléru AT42QT1060

Základní vlastnosti:

  • Napájení: 1,8 až 5,5 VDC
  • Max. počet tlačítek 4 (verze 1040) nebo 6 (verze 1060)
  • Univerzální vstupy / výstupy:
    • Verze 1040: žádné
    • Verze 1060: 7 (některé jako PWM výstup nebo budič LED) sdílené jako výstupy tlačítek
  • Komunikace s okolím:
    • Verze 1040:
      • 4 binární výstupy indikující stisk příslušného tlačítka
      • DEBUG sériové rozhraní pro sledování funkce senzoru / čtení naměřených dat
    • Verze 1060:
      • 7 binárních výstupů indikující stisk příslušného tlačítka
      • sériové rozhraní I2C v slave režimu
  • Doporučená min. vzdálenost elektrod: 7 mm
  • Použité technologie: QTouch (přesnos náboje v rozprostřeném spektru), AKS (potlačení něchteného stisku tlačítka)
  • Interní zprac. signálů: automatická kalibrace, autokompenzace driftu, filtrace šumu, AKS
  • Nastavené citlivosti:
    • Verze: interně pevné nastavení citlivosti, možnost externího nastavení kondenzátory
    • Verze 1060: softwarově příkazy přes I2C
  • Regulace rychlosti reakce:
    • Verze 1040: rychlý a pomalý režim nastavený externí propojkou
    • Verze 1060: softwarově příkazy přes I2C
  • Nastavení citlivosti:
    • Verze 1040: externím kondenzátorem Cs
    • Verze 1060: externím kondenzátorem Cs a softwarově detekční úrovní
  • Detekční úroveň:
    • Verze 1040: pevná 10 taktů (budících pulsů)
    • Verze 1060: softwarově nastavitelná 1 až 256 taktů (budících pulsů)
  • Vyhodnocení stisku:
    • Verze 1040: překročení detekční hranice po dobu 5 měřících cyklů
    • Verze 1060: překročení detekční hranice po 1 až 256 měřících cyklů

 

Příklad podrobného zapojení testovacího kitu společnosti Atmel pro QTouch kontrolér AT42QT1060

Technologie QSlide & QWheel

Produkty QSlide a QWheel jsou dotykové senzory založené na QTouch nahrazující klasické odporové lineární posuvníky (šoupátka) a kruhové volící prvky (točítka).

QSlide se pak skládá ze sériově zapojených postupně se zmenšujících snímacích plošek, čímž se při pohybu prstem přes ně dochází k postupné změně kapacity (nárůstu nebo poklesu podle směru pohybu). Speciální algoritmus pak umí dle hodnoty zjištěného signálu určit aktuální polohu prstu.

„Točítek“ QWheel je pak kruhová plocha nebo mezikruží rozděleno na několik snímací plošek připojené na tři kapacitní QTouch kanály opět umístěných pod dielektrickou ochranou vrstvou tloušťky až 3 mm.

V případě Qslide i Qwheel jsou procesní signály vyhodnoceny a převedeny na 7bitovou hodnotu absolutní pozici poskytovanou dalším obvodům prostřednictvím sériového rozhraní SPI neo I2C. Navíc nejsou k realizaci prvků QSlides a QWheel potřeba žádné externí součástky.

 

Obvod AT42QT2160

Integrovaný obvod QT2160 představuje již hotové řešení pro výrobu 16 dotykových tlačítek a posuvníku skládajícího se ze 2 až 8 snímacích kanálů. Kontroléru v mnohavývodovém pouzdru pak nechybí i budiče LED, univerzální vstupy/výstupy, nebo 2vodičové sériové rozhraní kompatibilní se sběrnicí I2C. Vlastnosti obvodu, jako citlivost nebo rychlost funkce (reakce na stisk) se nastavuje softwarově přes zmíněné sériové rozhraní.

Obvod QT1106-ISG

QTouch kontrolér QT1106 přestavuje obvod pro vytvoření až 7 tlačítkové dotykové klávesnice a zároveň posuvníku nebo výběrového kola (točítka). Zatímco citlivost každého snímacího vstupu se provádí hodnotou externího kondenzátoru, v případě kruhového voliče či posuvníku se to provádí softwarově příkazy sériového SPI komunikačního rozhraní. Jako krycí vrstva jsou podporovány sklo nebo plast.

V případě realizace točítka nebo posuvníku může výstup uvádět dotyk na jakékoliv jeho snímací místo nebo sledovat pohyb posunující se po posuvníku či kole. Samozřejmě nechybí funkce AKS. Pro snadnější propojení s dalšími QTouch obvody nebo pro potřeby externího řízení detekce nechybí režim sychronizace a synchronizační vstup.

 

QTouch knihovna pro MCU AVR

Společnost Atmel vyvinula pro potřeby uživatelů / programátorů MCU Atmel řady AVR rozšířenou knihovnu pro realizaci dotykových tlačítek QTouch přímo MCU bez potřeby použít výše uvedené speciální obvody. Nasadit ji lze na většinu mikrokontrolérů tinyAVR, megaAVR, XMega a některých AVR32 UC3A. Knihovna obsahuje předkompilované a odladěné binární soubory, které mohou být použity buď individuálně pro diskrétní tlačítka nebo mohou být kombinovány do skupin pro realizaci klávesnic či kruhových ovladačů a posuvníků (slidery).

Pro snažší vývoj aplikací pak Atmel poskytuje na svém webu volné (free) vývojové prostředí AVR QTouch Studio, které lze v současné době použít v kombinaci s dvěma nabízenými vývojovými deskami ATAVRTS2080A a ATAVRTS2080B podporující MCU ATmega88 a ATtiny88. Jádro AVR mikrokontroléru v kombinaci s Atmel QTouch technologií tak nabízí výbornou alternativu k výše uvedeným speciální obvodům.

 

QTouch tlačítka lze díky QTouch knohovně realizovat i na MCU AVR

 

Technologií QTouch to nekončí

Zde představená technologie QTouch v podobě jednoduchých tlačítek není jediná v nabídce společnosti Atmel. Na ní totiž navazuje a dále možnost dotykového ovládání rozšiřuje technologie kapacitního skenování sítě pasivních elektrod pod názvem Qmatrix. Ta umožňuje snadněji realizovat rozsáhlé klávesnice. Na ní pak dále stavějí další Q-technologie QField a QTwo, které umožňují zjišťovat místo dotyku na 2D plochách s vysokým rozlišenín (klasické dotykové obrazovky), resp. umožňují plynule sledovat pohyb například prstu po 2D ploše a plynule generovat X a Y souřadnice pohybu.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře

Basty (neověřeno) - 7. Listopad 2011 - 17:54

Rád bych se zeptal jestli nemáte někdo zkušenosti s knihovnami qtouch, laboruju s tím na ATmeze 16A, používám vzorový projekt přiložený ke knihovnám, a nedaří se mi to rozchodit, nemáte někdo nějaké zkušenosti, nebo nějaký funkční projekt s obvodem řady ATmega a popřípadě chuť na konzultování?