Dotyková ovládací rozhraní, tlačítka a klávesnice se již stávají běžným standardem pro měřící přístroje, průmyslové terminály i spotřební elektroniku. Dříve hojně využívanou technologii rezistivních dotykových ploch postupně nahrazuje kapacitní snímání, které je spolehlivější a nevyžaduje opravdu žádnou ovládací sílu, ba dokonce ani přímý dotyk se snímací plochou. Tím se tak minimalizuje i zašpinění a opotřebení dotykové plochy. A protože společnost Freescale se řadí mezi špičky na trhu integrovaných obvodů, nezůstává pozadu ani ve vývoji součástek / snímačů v tomto směru.

Novinkou v nabídce jsou dva integrované kapacitní snímače řady MPR08x (MPR083 a MPR084) pro detekci přiblížení předmětů, tedy i stila, tužky či přímo prstu člověka k snímacím elektrodám připojeným na k tomu určené vstupy integrovaného obvodu. A protože dnes se vše vyžaduje již plně digitální, jsou i zde představované snímače vybaveny přímo sériovým komunikačním rozhraním I2C. Výsledkem je snadné vyhodnocení "stisku" tlačítek díky možnosti připojení na téměř libovolný mikrokontrolér (MCU), protože většina jich dnes již komunikaci I2C běžně podporuje.

Oba integrované snímače MPR08 jsou nabízeny ve dvou provedeních, v 16vývodových pouzdrech QFN a TSSOP, aby se vyšlo vstříc jak potřebám velké hustoty povrchové integrace na desky plošných spojů (DPS), tak i možnostem alespoň trošku "amatérského" bastlení. Počet vývodů ani jejich struktura a elektrické provedení se však nemění, takže opravdu závisí jen na požadovaném způsobu osazování součástek na DPS.

Vlastnosti tlačítek s kapacitními snímači

• detekují přítomnost (přiblížení) nevodivých i vodivých předmětů (ruka, tužka, drát apod.)
• lze překrýt pevným krytem pro zvýšenou odolnost
• stupeň krytí i IP68
• opravdu nulová ovládací (spínací) síla
• velká životnost
• možné jsou různé tvary tlačítek
• digitální připojení k MCU či systému přes sběrnici I2C

Příklady použití

• řídící panely
• dotyková funkční tlačítka ovládání přístrojů
• náhrada přepínačů
• kruhové a posuvné ovladače / přepínače
• krytem chráněné klávesnice
• odolná náhrada membránových tlačítek a klávesnic
• dálkové ovladače
• PC periferie
• spotřební elektronika - ovládání pračky, sporáku, mp3, telefony apod.
• ovládací rozhraní řídících terminálů - HMI
• ovládání klimatizace/topení
• zabezpečovací systémy
• atd.

Princip funkce

Kapacitní snímače měří změnu kapacity, způsobenou buď změnou vlastností dielektrika (např. změna permeability) nebo změnou vzdáleností či konfigurace elektrod. První varianta umožňuje detekovat přítomnost širokého spektra nevodivých materiálů a látek (izolanty), pokud jejich permeabilita je jiná než permeabilita okolního prostředí. Druhý vliv, tedy změna vzdálenosti nebo konfigurace elektrod zase umožňuje detekovat elektricky vodivé látky, jako jsou kovy, tekutiny či části lidského těla, které vykazují velký obsah vody.

Zatímco pro detekci změny permeability dielektrika je nutné využít dvou a víceelektrodové uspořádání, v případě detekce vodivých materiálů je možné použít jen jednu elektrodu, protože tu druhou tvoří samotný detekovaný předmět, obvykle alespoň částečně přes něco uzemněný. Jeho přibližováním a oddalováním se pak mění vzájemná vzdálenost obou elektrod a tím i kapacita. Dielektrikem je pak volný prostor mezi nimi, tedy obvykle vzduch a nějaká krycí plocha, která chrání pevnou elektrodu před poškozením a zkratováním. V případě vícelektrodového uspořádání vytváří vodivý předmět další virtuální elektrodu a tak například z původně jednoho kondenzátoru tvořeného dvěma elektrodami se vytvoří dva virtuální kondenzátory zapojené jakoby paralelně. V případě přiblížení objektu el. nevodivého pak zůstává stále jeden kondenzátor, kterému však bylo změněno dielektrikum, resp. vyměněna část vzduchu s permeabilitou jedna za materiál s jinou hodnotou permeability.

Bližší popis struktury a provedení snímačů MPR08x

I když oba nové kapacitní snímače řady MPR08x mohou obecně sloužit pro detekci přiblížení vodivých i nevodových předmětů, jsou hlavně stavěné a přizpůsobené pro realizaci dotykových tlačítek (tlačítek s nulovou ovládací silou). Hlavní rozdíl mezi dvěma zástupci, snímači MPR083 a MPR084, je přizpůsobení realizaci dvou odlišných uspořádání snímacích elektrod, tedy rozdílné uspořádání tlačítek. Zatímco obvod MPR084 slouží k vytvoření klasické klávesnice tvořené běžnou maticí 8 tlačítek, obvod MPR083 umožňuje realizovat kruhové ovladače (joysticky, točítka), dnes tolik populární a vyžadované například pro efektní kurzorové ovládání.

Oba detektory pak jinak obsahují tu samou výbavu a i stejné provedení dvou různých typů pouzder pro možnost "ručního" i strojového osazování na DPS.

V obou případech tvoří polovinu pinů pouzdra vývody pro napojení 8 snímacích ploch (elektrod E1 až E8), které mohou být tvořené klidně jen měděnými ploškami na DPS. Zároveň se k nim přes rezistor s velkou hodnotou připojuje napájecí napětí, které realizuje stejnosměrnou složku měřícího sinusového harmonického signálu. Takovýto průběh pak slouží k měření impedance prostoru okolo snímacích plošek a tedy i ke zjištění změny kapacity. Stejnosměrná složka eliminuje vliv klasických parazitních odporů na vysokofrekvenční signál s malou amplitudou. Vývody E1 až E8 tak zároveň generuje měřící signál i měří změnu velikosti jeho amplitudy způsobenou změnou kapacity (CAPACITANCE MEASUREMENT AF.E.).

Pokud naměřená úroveň na některé elektrodě překročí spínací hranici v komparátoru (MAGNITUDE COMPARATOR), je to vyhodnoceno jako stisknutí tlačítka. Informace o aktuálních stavu stisknutí je pak ukládána do vnitřního registru (STATUS REGISTER), který lze přečíst prostřednictvím sériového rozhraní I2C s vývody SCL a SDA (I2C SERIAL INTERFACE). Změna stavu některého tlačítka je pak okamžitě indikována i prostřednictvím výstupu IRQ z řadiče přerušení (INTERRUPT CONTROLLER), kterým lze snadno vyvolat přerušení připojeného nadřazeného MCU, který může přerušit svou práci a přečíst si, které tlačítko bylo stisknuto. Vstupy AD0 (adresovací vstup) a ATTN (povolení komunikace) se pak provádí výběr součástky, pokud jich je použito více, resp. spuštění komunikace po I2C. Jako přímou zpětnou vazbu pro osobu, která provádí volbu, lze použít zvukový výstup SOUNDER z vnitřního akustického budiče (SOUNDER DRIVER CONTROLLER), který vytváří akustický signál pro krátké pípnutí vždy, když se aktivuje nějaký vstup (stiskne tlačítko). Zpětná vazba je zde zvláště důležitá, protože zde není klasický mechanický vjem generování tlaku.

Vyhodnocení signálů uvnitř obvodů MPR083 a 084

Z pohledu vyhodnocení a zpracování naměřených signálů získaných ze vstupů E1 až E8 se vše již provádí výhradně softwarově na základě firmwaru běžícího v MCU implementovaný přímo v součástce. Ten provádí převod analogového signálu na digitální, je vyfiltrování od rušivých složek a vyhodnocení (komparaci) dle nastavených parametrů v 21 řídících registrech (CONFIGURATION REGISTERS). Například každá detekční ploška E1 až E8 má vlastní komparační registr (Sensitivity Threshold Registers 1 až 8), kde se může pro každé "tlačítko" zadat rozdílná hodnota, při které je detektován stisk. Změna hodnoty se realizuje komunikací I2C.

Na programové úrovni se také realizuje hlavní rozdíl obou zde popisovaných, protože zatímco obvod MPR084 slouží ke snímání postupného "stisku" maticově uspořádaných tlačítek (malá klávesnice), kdy se neregistruje plynulý přechod mezi snímacími ploškami (např. posun prstu z jedné plošky na druhou bez jeho zvednutí), u obvodu MPR083 pro realizaci funkce tzv. kruhového ovladače (rotary slider) se kontinuálně vyhodnocuje pozice detekovaného předmětu (např. prstu) a registrují se i plynulé přechody mezi tlačítky, kdy se detekovaný objekt pohybuje po povrchu snímací plochy a nevzdálí ze snímacího dosahu.

Konkrétní vlastnosti obvodů MPR08x

• Provedení: jednochipový řadič připojený na snímací plošky
• Napájecí napětí: 1.8 až 3.6 V
• Spotřeba: průměr. 41mikroA, 2 mikroA ve standby módu
• Doba přechodu do standby: nastavitelná 32 ms až 4 s
• Mód zamezení současného stisku více tlačítek
• Odstranění (filtrace) případného vlivu okolního rušení
• Data bufferována ve FIFO při rychlém posloupnosti stisků tlačítek (na 30 stisků)
• Signalizace výstupem IRQ, jestliže FIFO obsahuje záznam
• Různé nastavení chování senzoru při a po signalizaci IRQ
• Zvukový výstup na piezoměnič pro signalizaci stisku tlačítka
• Možnost spuštění automatické kalibrace
• U rotačního senzoru MPR083 - možnost zjištění aktuální pozice místa stisku
• Komunikace: I2C + 3 další vstupy/výstupy
• Pracovní teplotní rozsah: -40°C až +85°C
• Pouzdra:
  • 16vývodové QFN (5 x 5 x 1 mm)
  • 16vývodové TSSOP (5 x 6.4 x 1.2 mm)

Závěr

Nová řada integrovaných obvodů MPR08x je další krokem k co nejjednodušší realizaci dotykových ovládacích panelů téměř libovolného tvaru. Výstup a komunikace se součástkou pomocí rozhraní I2C umožňuje snadné napojení na většinu nadřazených řídících systémů (mikrokontrolérů). Postupem času (v roce 2008) budou jistě přibývat další zástupci této řady (MPR081 a MPR082) pro realizaci dalších typů hlavně kontinuálních dotykových plošek (tzv. sliderů), které v tomto článku reprezentuje obvod MPR083 pro kruhový ovladač.

Proto sledujte stránky společnosti Freescale nebo HW serveru. Bližší technické informace o uvedených součástkách MPR083 a MPR084 odkazuji na přímo na stránky výrobce, kde lze nalézt podrobné datasheety, manuály i aplikační listy popisující použití obvodů a návrh / výpočet vnějších připojených součástek.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Freescale, výrobce integrovaných obvodů pro řízení motorů - www.freescale.com
• Domovská stránka české pobočky firmy Freescale - www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp
• Katalogový list (datasheet) obvodu MPR083 - MPR083.pdf
• Katalogový list (datasheet) obvodu MPR084 - MPR084.pdf