Jste zde

Konstrukce indukčních tlačítek "Inductive mTouch" s MCU PIC

Antonín Vojáček, 4. Leden 2009 - 14:53

¨Nedávno jsem psal o konstrukci kapacitních dotykových tlačítek mTouch. Na stránkách firmy Microchip však lze vypátrat i informace o konstrukci indukčních tlačítek mTouch, které lze také skoro považovat za dotykové. Pro jejich aktivaci je totiž stačí stlačit pouze o cca 0.01 mm. Následující článek popisuje princip, mechanickou, i elektrickou konstrukci s MCU Microchip PIC, včetně zdrojového kódu pro MCU v jazyku C.

Zhruba před měsícem jsem napsal článek o funkci, provedení a konstrukci dotykových kapacitních tlačítek Capacitive mTouch ve spojení s MCU Microchip (článek "Pravidla pro konstrukci kapacitních dotykových tlačítek mTouch"). Mimo to lze však na stránkách Microchipu nalézt popis funkce a snadné konstrukce tzv. indukčních tlačítek Inductive mTouch Sensing Solution. Ty sice nejsou pouze dotykové a je nutné je nepatrně stisknout, ale síla na to vynaložená je často naprosto minimální. Naopak lze je nasadit v případech, kde nelze jednoduše nebo dokonce vůbec použít kapacitní tlačítka. Například dovolují:

Použití na kovové krycích povrchy (nerez, hliník, ale i plasty apod.)
S tím související i možnost použití tvarovaných kláves pro nevidomé
Absolutní odolnost proti vodě a vnějším znečištění
Stisk i rukavicemi
Dotyková zpětná vazba vlivem nutnosti vynaložit sílu (zatlačit)

Nejede tedy o přímo konkurující technologii, ale prostě jen pro některé účely se více hodí kapacitní a jindy indukční tlačítka, podle toho, co chceme za vlastnosti.

Základní princip indukčních tlačítek

Základní funkce technologie Inductive mTouch™ Sensing od společnosti Microchip je založena na změně indukčnosti vzduchové cívky, ke které se přiblíží vodivá podložka (target). Ta se umístí na spodní stranu pružné stiskací plošky. Pokud dojde k malému stlačení tlačítka, pružná podložka se prohne, čímž se vodivá snímací ploška tlačítka lehce přiblíží k pod ním umístěné vzduchové cívce. To však již stačí k tomu, aby změnila svoji indukčnost, která se elektronicky měří. Princip je tedy obdobný jako u detekce přiblížení kovového objektu pomocí indukčních snímačů.

Základní funkce indukčních tlačítek mTouch spočívá v přiblížení vodivé plošky k ploché vzduchové cívce
vlivem prohnutí dotykového panelu.

Střídavý harmonický proud procházející závity vzduchové cívky vytváří střídavé magnetické pole. Změny proudu a tedy i změny mag. pole pak generují tzv. elektromotorickou sílu (Electromotive Force (emf)) působící proti změnám proudu. Indukčnost pak definuje velikost této síly na jednotku proudu.

Střídavé magnetické pole cívky pak indukuje ve vodivé snímací plošce, kterou lze z elektrického pohledu interpretovat jako závit, nakrátko střídavý elektrický proud, který pak následně zase generuje vlastní magnetické pole. To interaguje s mag. polem cívky a ovlivňuje tak proud cívkou vlivem změny její impedance tvořené právě její indukčností L a ztrátovým odporem závitů (vodivé cesty). Čím je snímací ploška blíže čelu cívky, tím větší je její vliv a indukčnost cívky exponenciálně klesá.

Při stisku tlačítka dojde ke změně indukčnosti snímací vzduchové cívky vlivem přiblížení snímací plošky

Náhradní elektrický obvod celého indukčního tlačítka se pak skládá ze sériové kombinace indukčnosti LCOIL a parazitního odporu vodiče RCOIL na straně cívky a stejně tak ztrátového odporu RTARGET a indukčnosti LTARGET virtuálního závitu nakrátku snímací plošky. Mezi oběma indukčnostmi pak vzniká při interakci vzájemná indukčnost (Mutual Inductance M), jejíž hodnota závisí na vzájemné vzdálenosti (distance). Čím menší je vzdálenost, tím je vzájemná indukčnost větší a indukčnost cívky LCOIL menší. Výhodu této konstrukce je již zmíněná klesající závislost indukčnosti na přiblížení snímací plošky k cívce, kdy stačí jen malý pohyb k velké změně indukčnosti. Proto často stačí již zmíněných několik desítek mikrometrů stlačení, pokud vzdálenost mezi cívkou a ploškou (tj. výška oddělovací vrstvy) je cca 1 až 3 % hodnoty průměru snímací plošky.

Náhradní elektrický obvod celého indukčního tlačítka

Konstrukce indukčních tlačítek

Konstrukce indukčních tlačítek mTouch se skládá z následujících částí:

Mechanický indukční dotykový senzor
Elektronika rozhraní
Mikrokontrolér PIC s PWM a A/D převodníkem

Mechanický indukční dotykový senzor je složený z plošné vzduchové cívky tvořené několika měděnými kruhovými závity na desce plošných spojů a ze snímací vodivé plošky umístěné na spodní straně pružné dotykové membrány či krycí vrstvy tlačítka. Její průhyb by měl být možný alespoň o 10 mikrometrů (0.01 mm), ale to dost závisí na tloušťce krycí vrstvy / membrány a velikosti plošky. Cívečka je pak připojena na elektroniku rozhraní, která za prvé převádí obdélníkový PWM signál z MCU na střídavý průběh proudu pro cívku senzoru a následně převádí napěťový signál od cívky na stejnosměrné napětí. To se přivede na vstup A/D převodníku MCU PIC a dále je již zpracován a vyhodnocen softwarově v MCU.

Konstrukce indukčního tlačítka se skládá z indukčního dotykového senzoru, rozhraní a MCU PIC

Hlavními částmi indukčního dotykového senzoru je vrchní dotyková vrstva (Front Panel)
s vodivou snímací ploškou (Conductive Target) a snímací cívka (Etched Coil)

Konstrukce indukčního dotykového senzoru

Indukční dotykový senzor využívá následující vrstvovou strukturu (v pořadí od vrchní do spodní):

Vrchní dotyková, ochranná a pro uživatele viditelná vrstva (Front Panel)
Vodivá snímací ploška (Conductive Target Layer)
Oddělovací / vyplňovací vrstva (Spacer Layer)
Deska plošných spojů s vytvořenými / vyleptanými vzduchovými cívkami (Printed Circuit Board with Etched Inductive Coils)

Konstrukce indukčního dotykového senzoru pro indukční mTouch tlačítka se skládá z několika vrstev,
kde ale všechny není nutné vždy použít.

Vrchní dotyková krycí vrstva a oddělovací ploška

Vrchní dotyková vrstva může zde být prakticky z jakéhokoliv materiálu, ale měla by být schopna lehké deformace (prohnutí), aby na ní zespodu přilepená snímací ploška mohla změnit svojí polohu vůči cívce. V případě použití vrchní vrstvy z kovu pak není nutné vůbec snímací plošku použít, protože se tak chová sama vrstva. Plošku je nutné nasadit jen v případě použití plastu nebo dřeva apod. Pak klidně může být v podobě samolepící nálepky s napařenou vrstvičkou mědi či hliníku nebo přilepeného vyříznutého kolečka ze slabé železné, měděné nebo hliníkové destičky. Pokud se například do dřevěné vrchní vrstvy vydlabe či vysoustruží důlek a snímací ploška nalepí či napaří dovnitř, není již nutné použít oddělovací vrstvu. Na opačné straně vrchní vrstvy pak může být natištěn, nalepen, vydlabán, vyrýpán či vyfrézován znak obrázek označující funkci klávesy.

Oddělovací vrstva

Pod vrchní krycí vrstvou tedy může být i nemusí tzv. oddělovací vrstva. Ta má zabraňovat dotyku snímací plošky s cívkou, ale pokud je tomu zabráněno jiným způsobem, není její použití nutné. Pokud se však použije, jako nejvhodnější je materiál FR4, FR2, pryskyřicí napuštěný papír, ABS nebo jiný plast v němž jsou v místech tlačítek vyřezány otvory. Tloušťka oddělovací vrstvy by měla být 1 až 3% celkového průměru otvoru.

Vzduchová cívka

Cívka je v podobě spirálově zatočeného (navinutého) vodiče kolem středu z feromagnetického materiálu nebo lépe jako vyleptané kruhová spirálová cesta ve dvouvrstvé desce plošných spojů (DPS). Zde totiž lze na jedné straně vytvořit onu spirálu, kde její střed je prokontaktován prokovem na spodní vrstvu, která pak tvoří druhý vývod. První vývod je vyvedení konce spirály normálně na horní straně / vrstvě DPS.

Připojení a vyhodnocení stisku indukčního tlačítka

Elektrické připojení a vyhodnocení výše popsaného indukčního dotykového senzoru se nejlépe hodí radiometrické čtení / měření indukčnosti. Jednou fází čtení je měření amplitudy pulsního stejnosměrného DC napětí na referenční cívce. Druhým čtením je měření amplitudy pulsního stejnosměrného DC napětí od indukčního senzoru tlačítka či tlačítek. Pokud pak vydělíme naměřenou hodnotu tlačítka referenční hodnotou, je výsledkem normalizovaná hodnota odpovídající pouze rozdílu indukčnosti snímací a referenční cívky. Tím se automaticky eliminuje vliv napájecího napětí a teploty.

Blokové schéma elektrického rozhraní pro připojení 4 snímacích cívek indukčních tlačítek (Sensor Coils)

Prakticky se to provádí multiplexací a postupnými dvěma nebo třemi měřeními, resp. převody A/D převodníku uvnitř připojeného MCU. Obvykle se nejdříve změří napětí na samotné referenční nebo snímací cívce, pak na sériové kombinaci snímací cívka tlačítka + referenční cívka. Poté se ještě případně změří zbytkové napětí země. To se však nutně provádět nemusí. Záleží na přesnosti měření. V MCU se následně od napětí sériové kombinace odečte napětí reference. Tím se získá hodnota napětí, která odpovídá indukčnosti snímací cívky. Protože nás však zajímá pouze změna indukčnosti snímací cívky způsobená stiskem tlačítka, stačí nám jen sledovat změnu této hodnoty a není nutné nijak vyčíslovat přímo hodnoty indukčnosti. Stačí tedy jen jednoduše hlídat překročení aktuální naměřené hodnoty proti pevně dané rozhodovací úrovni nebo proti dlouhodobému průměru hodnot.

Všechny cívky se budí pulsním proudem generovaným z obdélníkového napětí PWM výstupu MCU přes například jednoduchý jednotranzistorový převodník (viz na schématech níže). Ten na základě aktuální hodnoty impedance a tím i indukčnosti cívky generuje adekvátní impulsy napětí. Jejich amplituda se již snímá A/D převodníkem, jak již bylo nastíněno výše, tzn. že se za přepínači zapojenou odporovou soustavou s operačním zesilovačem vytvoří stejnosměrné napětí rovnající se špičkové hodnotě výsledných impulsů od cívek, které A/D převodník převádí v MCU na binární čísla. Ta pak již zpracovává software MCU. Použít lze téměř libovolné MCU Microchip PIC, které má A/D převodník a PWM výstup.

Příklad vývojového diagramu programu MCU pro vyhodnocení stisku indukčního tlačítka

Pokud však chceme realizovat více tlačítek nebo dokonce celou klávesnici, je nutné ještě přidat přepínání mezi jednotlivými tlačítky. To lze provést buď analogovým multiplexerem, který přepíná napětí více snímacích cívek na jeden vstup A/D převodníku, nebo jednodušeji spínáním / připojováním zemí k jednotlivým snímacím cívkám. To lze provádět jednodušeji přímo vstupy MCU (GPIO) – viz dvě schémata níže.

Možné praktické zapojení připojovacího rozhraní 4 indukčních tlačítek v režimu přepínání zemí výstupy MCU (GPIO)

Možné praktické zapojení připojovacího rozhraní 4 indukčních tlačítek pomocí analogového multiplexeru řízeného výstupy MCU (GPIO)

Příklad konkrétního schéma zapojení pro 4 tlačítka (INDTOUCH_4KEY_BOARD.pdf - viz také obrázek níže) + zdrojový kód v jazyku C (Code.zip) pro MCU Microchip PIC. Vše dohromady + s dalšími informacemi najdete společně v následujícím zip souboru Inductive Touch Resource Kit Ver 1.1 . Zde najdete i bližší popis konstrukce i s konkrétními vzorci a ukázkami návrhu a výpočtů celého řešení. Dokonce je přiložen i prográmek pro OS Windows XP / Vista 32bit., který pomůže s vhodnou volbou a realizací samotného indukčního dotykového snímače, podle zvolených rozměrů a použitých materiálů. Vše je samozřejmě v anglickém jazyce.

Konkrétní možná realizace vyhodnocení 4 indukčních tlačítek mTouch s MCU Microchip PIC 16F883 (pro zvětšení klikněte na obrázek)

Závěr

Ne vždy se všude hodí kapacitní dotyková tlačítka. Pokud požadujeme efektivnější kovové provedení s větší odolností proti poškození i proti vlivům okolí, jsou indukční tlačítka dobrou volbou. I přes složitější realizaci je však jejich výroba stále možná i v domácích podmínkách "na koleně", protože se zde nevyužívá žádných převratných technologií a prakticky jde o využívání základních fyzikálních jevů a elektronických součástek běžně lehce dostupných.

Více praktických údajů a návodů o realizaci mTouch Sensing tlačítek pro MCU Microchip najdete přímo na webu www.microchip.com, resp. http://techtrain.microchip.com/webseminars, kde jsou k dispozici i videa a slidy ze seminářů "Microchip Technology Web Seminar" o jejich realizaci, ze kterých jsou i obrázky použité v tomto článku. Na odkazu Inductive Touch Resource Kit Ver 1.1 si lze navíc stáhnout všechny potřebné informace pro realizaci i nakonec kompletní projekt realizace 4 tlačítkového ovládání s MCU PIC 16F883, včetně přesného schéma zapojení již vytvořeného programu pro MCU v jazyku C.

Antonín Vojáček