NXP管管 发表于 2019-7-9 09:05:30

恩智浦KE15Z的触摸感应技术

日常生活中,随处可见触摸技术的应用,大家已经习惯了触摸带来的便利操控体验。但是在炫酷表面的背后,是颇有技术含量的触摸芯片在工作。今天就带领大家走进芯片的世界,了解恩智浦最新电容式触摸感应技术。

1恩智浦最新电容式触摸感应技术特点

恩智浦最新一代电容式触摸感应模块TSI(Touch Sensing Interface),主要应用于触摸按键的使用场景,具有一贯的抗噪声干扰的超强能力,并且提高了电容检测的灵敏度和防水性能,特别适合应用于家电产品。可以说,上得了厅堂(高大上的触摸界面设计),下得了厨房(优良的防水性能)。

抗噪声干扰能力

恩智浦最新电容式触摸感应技术能够提供更好的抗噪声干扰能力,在各种情况下都能可靠地工作,并且通过了业界非常苛刻的IEC 61000-4-6 10V认证,满足家电产品所注重的安全需求。

高灵敏度

恩智浦最新电容式触摸感应技术支持sensitivity boost模式,极大提高了触摸感应的灵敏度,因此允许最终产品使用不同材质制作的触摸面板,例如玻璃,亚克力,塑料等等。实验表明,采用10mm厚的亚克力面板,触摸的体验依旧很灵敏。并且借助sensitivity boost模式,还可以实现实测35cm的接近感应功能。

同时支持自电容和互电容模式

恩智浦最新电容式触摸感应技术,不仅支持自电容,并且支持互电容感应模式。自电容模式一对一连接,电路设计简单,结合shield通道,实现防水。而互电容模式需要两个通道配合使用,分别作为发送和接收通道。这样电路设计稍显复杂,但是天生具有较好的防水性能,可以实现按键矩阵,用较少的通道实现更多的按键。

易用的软件支持

恩智浦最新电容式触摸感应解决方案提供开源的软件支持,极大地减少了客户软件开发工作量。

这套恩智浦触摸软件涵盖了底层触摸TSI模块的驱动,中层触摸事件的检测,和顶层触摸实体的解码。例如客户设计了由两块触摸电极构成的触摸滑条,这个滑条就是一个触摸实体,通过对两个触摸电极触摸事件的检测,获得每个电极的电容的变化量,再由顶层触摸实体对电容变化量的合成解码,计算出手指在滑条上的绝对位置,滑动位移和方向。

对于电容触摸按键开发中比较棘手的灵敏度调整的问题,恩智浦触摸软件提供自动灵敏度校准的功能,并通过FreeMASTER图形化界面,来帮助客户精确调整触摸按键的灵敏度。

下图是恩智浦触摸软件库的结构框图。

客户可以搜索关键字touch software,很方便地从恩智浦官网上下载这些开发软件。

工程师天然具备打破砂锅问到底的精神,那么接下来就带领大家深入了解恩智浦最新的电容式触摸感应技术细节。

2深入了解恩智浦电容式触摸感应技术

恩智浦的KE15Z是带有最新一代的电容式触摸感应模块(TSI)的微处理器。KE15Z的TSI支持自电容和互电容两种触摸感应模式,下面分别介绍这两种模式的触摸感应技术。

自电容触摸感应模式 Self-capacitive Mode

如下图所示,这是一个典型自电容式触摸按键的PCB顶视图。该按键的形状为圆角正方形,理论上可以做成任意形状,但是为了避免尖端放电效应,达到较好的触摸效果,一般推荐边缘圆滑的形状。圆角正方形和圆形比较常见。触摸按键的大小推荐成人指尖的平均大小(直径约10mm)。如图所示,接地平面与触摸按键之间保持了一个均匀的隔离间隙,一般推荐为1mm。如果隔离间隙设置过小,则会降低触摸按键的灵敏度,而如果间隙设置过大,则削弱触摸按键的抗噪声干扰能力。

下图标示出了自电容触摸按键的截面图。在自电容触摸感应模式中,每个触摸按键需要一个MCU的TSI引脚。无手指触摸时的按键电容标记为Cp,代表寄生电容。由手指触摸所产生的额外电容被标记为ΔCp。

在自电容触摸感应模式中,MCU的TSI模块对触摸按键以一定频率进行充放电,利用等效电阻原理,把按键的电容容值大小等效成对应的平均电流,对内部的积分电容进行充电。然后通过计算充电的次数,把电容的模拟变化量转换成数字量。软件通过读取TSI模块的检测结果,进而比较预设的阈值,来判断是否有触摸事件。

自电容触摸感应方式相对比较简单,易于触摸板的布局设计,这样客户可以更自由地设计触摸按键的形状和应用触摸功能。自电容方式的典型应用领域包括通用按键,滑条和滚轮。并且得益于向所有方向发射感应磁场,自电容方式比互电容方式更适用于手势接近功能。


互电容触摸感应模式 Mutual-capacitive Mode

如下图所示,这是一个典型互电容式触摸按键的PCB顶视图。该按键的形状为两个锯齿型状电极组合,外围的电极被称为发送电极,而内部的电极则是接收电极,互电容触摸感应模式就是检测这两个电极之间的电容变化。

下图标示出了互电容触摸按键的截面图。在互电容触摸感应模式中,每个按键需要两个通道,分别是TSI发送通道和接收通道。无手指触摸时的按键电容标记为Cm,它对应接收电极从发送电极耦合到的电荷多少。

在互电容触摸感应模式中,MCU的TSI发送通道对发送电极发送一定频率的方波,而手指放在互电容触摸按键上,影响了接收电极的电荷耦合,导致Cm下降,TSI互电容模块通过检测Cm的变化,来感知触摸事件。

互电容触摸感应模式非常适合于触摸按键矩阵,可以利用较少的TSI通道,实现更多的按键数目。例如利用5个TSI发送通道加上5个TSI接收通道,可以实现5x5=25个触摸按键,如果使用自电容方式,则需要25个TSI通道。

3恩智浦电容式触摸感应开发评估套件

恩智浦提供多种触摸评估板来支持客户的触摸产品开发和评估。


FRDM-KE15Z是基于主芯片KE15Z的低成本评估板,板上支持两个自电容的触摸按键。FRDM-TOUCH板上没有任何芯片,完全是一块支持各种触摸功能的子卡,可以连接到FRDM-KE15Z,从而实现互电容触摸按键,自电容触摸滑条和滚轮的评估。


公众可以通过恩智浦官网下载最新的KE15Z SDK,获取FRDM-KE15Z和FRDM-TOUCH所有的触摸功能演示资料。下载地址为 www.nxp.com/touch。


下面是一段KE15Z触摸方案的演示视频:
https://imgcache.qq.com/tencentvideo_v1/playerv3/TPout.swf?max_age=86400&v=20161117&vid=n0707b5ek1b&aut o=0


作者:陈永刚      文章出处:恩智浦MCU加油站
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