發布日期：2022-07-14 點擊率：65
和滑條已經被越來越多的應用在家電和工業產品中用于取代傳統的機械按鍵和簿膜按鍵。由于觸摸感應按鍵和滑條使得控制面板更時尚和具有更長的壽命,它也被越來越多的用戶所接受。在多種技術中,電容式觸摸感應技術已經成為觸摸感應技術的主流。Cypress半導體基于PSoC的電容式觸摸感應技術CapSense具有外圍元件少、抗干擾能力強和靈敏度調節靈活已經得到了廣泛的應用。區別于其他的專用的觸摸感應芯片,CapSense是基于PSoC的電容式觸摸感應技術,所以在PSoC芯片上不僅可以實施CapSense觸摸感應,還可以實現用戶希望實現的其他功能,如:控制 LED燈、溫度測量、馬達控制等等。這就是所謂的CapSense Plus。
PSoC是包含有8位微處理器核和數字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統。PSoC的數字資源(如定時器、PWM、UART等等)和模擬資源(放大器、比較器、濾波器等等)以數字模塊和模擬模塊的方式給出。用戶可以根據自己的需要來定義這些模塊。PSoC的集成開發環境PSoC Designer也預先為用戶定義了五十多個常用的數字和模擬資源供用戶選擇。如數字資源有:定時器、PWM、UART、SPI、CRC、PRS等等；模擬資源有放大器、比較器、濾波器等等；AD轉換器由若干數字模塊和模擬模塊組合而成。所有這些預定義的模塊被稱之為用戶模塊。PSoC Designer也為用戶提供這些用戶模塊的API函數供用戶編程時調用。CapSense觸摸感應包括兩個用戶模塊CSD和CSA可供用戶選擇。其中PSoC最常用帶觸摸感應的芯片CY8C21x34支持CSD用戶模塊。
CapSense CSD模塊觸摸感應原理
CSD模塊可以被劃分為六個部分:開關電容、時鐘、∑-?S調制器、位流調制濾波器、參考源和軟件處理(見圖1)。其中開關電容部分中的Cx是觸摸感應按鍵本身所具有的寄生電容。∑-?S調制器部分中的Cmod和Rb分別被稱之為調制電容和放電電阻,它們是CSD模塊僅有的兩個外部元件。
圖1:由六個部分組成的CSD模塊。
圖2:開關電容等效電路。
開關電容的工作原理是將來自時鐘部分的時鐘信號二分頻并建立死區控制產生ph1和ph2來控制Sw1和Sw2。在ph1階段Cx通過Vdd充電,在ph2階段Cx通過Sw2放電給Cmod,Cmod被充電。ph1和ph2交替工作,周而復始將在Cmod上建立電壓Vmod。由于Cmod>>Cx并且其上所有的電荷均來自 Cx,而Cx上的電荷均來自Vdd,因此可以將開關電容等效成一個串接的電阻Rx(如圖2),Rx的大小為:Eq1
fs為時鐘信號的頻率。這樣就變成Vdd經Rx向Cmod充電,當開關電容的時鐘頻率一定時,充電電流的大小與Cx成反比。
∑-?S調制器用于產生一個與Cx相關的一位的位流。Vdd經Rx向Cmod充電時,Cmod上的電壓VCmod逐漸上升,當超過比較器反向輸入端的參考電壓Vref時,比較器翻轉,輸出高電平。這個高電平被鎖存器鎖存并用來控制 Sw3閉合使Cmod經Rb放電。 被鎖存的時間由來自時鐘部分的VC1決定。當VCmod電壓低于Vref時,比較器翻轉,輸出低電平, Sw3又斷開,VCmod電壓隨著充電又上升。這樣周而復始使VCmod圍繞Vref上下波動,而∑-?S調制器輸出一串位流脈沖(見圖3中Vmod)。經過計算位流脈沖的占空比dmod和Cx有如下正比關系:
Eq2
或者說一段時間里高電平所占的時間和是和Cx有對應的關系。當手指觸摸感應按鍵時,dmod或高電平所占的時間和將隨著Cx的增加而增加。只要測量出一段時間里高電平所占的時間和的變化量就可以知道是否有手指觸摸。
圖3:CSD模塊節點波形圖。
位流調制濾波器正是用于測量一段時間里高電平所占的時間和。其中ADCPWM的duty寬度決定了這個“一段時間”,而與門使在這個一段時間里∑-?S調制器輸出的位流脈沖的高電平可以通過并打開計數器,對頻率比較高的VC1信號進行計數。在ADCPWM的duty的下降沿產生中斷信號用中斷服務程序讀出計數器的值得到高電平所占的時間和,這個值由軟件處理即可判斷有無手指觸摸。
控制ph1和ph2的時鐘通常來自主時鐘IMO的n次分頻信號,但在CSD中使用了偽隨機信號發生器PRS來控制ph1和ph2(見圖3的Vph1和Vph2),它的好處不僅使CSD本身產生的干擾頻譜擴散,也增強了CSD對外界的抗干擾能力。另外CSD的模擬輸入端的低阻輸入方式也使CSD的抗干擾性能獲得提高。
由于CSD模塊的ADCPWM的參數、開關頻率fs、參考電壓Vref和外部元件Cmod、Rb都可由戶設定,因此靈敏度的調節非常方便。
CSD模塊軟件用于實施在ADCPWM的duty的下降沿產生中斷信號時,用中斷服務程序讀出計數器的值得到高電平所占的時間和,并且對每一個感應塊進行重復和連續的掃描,用得到的計數值作為基本的數據進行有效的處理。這些處理主要包括建立和更新baseline,得到當前的計數值和baseline的差,判斷這個差是否超過設定的閾值和給出某個或幾個感應塊被觸摸的信息。模塊軟件以 多個API函數的方式給出,方便用戶調用。
用CapSense CSD模塊實施觸摸感應有諸多優勢,但它需要占用三個數字模塊和三個模擬模塊。而CY8C21x34芯片只有四個數字模塊和四個模擬模塊,如果要實施CapSense Plus,CY8C21x34的模塊資源顯得有些捉襟見肘。然而由于PSoC的周邊資源是通過數字模塊和模擬模塊的方式給出,并且這些模塊的功能可以由用戶自己定義和配置,這就給實現動態重配置CY8C21x34芯片的周邊資源帶來可能,使CY8C21x34的數字模塊和模擬模塊可以實施一塊二用或一塊多用。所以我們可以使用動態重配置實施CapSense Plus,使CY8C21x34芯片的資源有更高的利用率,系統的成本也為之降低。
動態重配置及實施
類似通信中使用“時分復用”技術,動態重配置也是使PSoC的數字模塊和模擬模塊實施時分復用,即在同一個應用項目中不同的時刻同一個或幾個模塊有不同的功能。動態重配置并不局限于雙重配置,它允許用戶實施多重配置,動態多重配置可以大大提高PSoC的模塊資源的利用率。但通常來講,動態多重配置的實施取決于具體的項目和設計工程師的想象力以及對多任務程序設計的駕馭能力。
事實上,PSoC Designer集成開發環境已經為用戶實施動態重配置創造了良好的條件,在進入PSoC Designer的Device Editor環境時,它為用戶提供一個基本的模塊配置平臺。當用戶在這個平臺上完成了基本的模塊配置以后,通過點擊Add Loadable Configuration按鈕,即會出現一個新的模塊配置平臺。在這個平臺上可以實施第一重的模塊配置。再點擊Add Loadable Configuration按鈕,又會出現一個新的模塊配置平臺,在這個平臺上可以實施第二重的模塊配置….. (圖4)通常將不能時分復用或不需要動態重配置的模塊放在基本的模塊配置中進行配置,而將需要時分復用的模塊按其功能要求實施重新配置。配置完畢,并且所有模塊參數也設置完畢,點擊Generate Application按鈕即可生成所有模塊的API函數和供用戶調用。同時在生成的庫函數中也包含了各個配置的列表和裝載、卸載各個配置的函數。在用戶程序中正是使用這些裝載、卸載配置的函數來輕松地實施各個模塊配置之間的切換。
圖4:實施動態重配置示意圖。
通常在程序開始要先調用基本的模塊配置,在使用某一個功能塊任務時調用這一個功能塊相應的模塊配置。在這一個功能塊的任務完成以后,要切換到另一個模塊配置實施相應的任務之前,必須先卸載當前的模塊配置,然后再調用新的模塊配置。通過這種反復不斷地裝載、卸載配置函數的調用,使PSoC的某些模塊資源在不同的時刻發揮不同的作用和功能。
圖5:包含調用基本配置和重配置的主程序流程圖。
動態重配置的應用實例
在這個例子中,使用CY8C21434實施四個觸摸感應鍵的檢測,并將對應的感應鍵狀態在P2.0~P2.3輸出控制4個LED燈。同時通過P1.1口輸入電壓來控制P2.6上的LED的亮度。觸摸感應鍵的檢測使用CapSense CSD用戶模塊,它需要占用三個數字模塊和三個模擬模塊；輸入電壓的檢測使用一個10位的ADC,它需要占用一個數字模塊和兩個模擬模塊；LED燈的亮度控制使用一個PWM控制,它需要占用一個數字模塊。總共需要5個數字模塊和5個模擬模塊。但是,CY8C21434僅有4個數字模塊和4個模擬模塊。利用動態重配置解決了模塊資源不足的問題。
首先在基本配置中放置PWM模塊并將其輸出引到P2.6,再在第一重配置中放置ADC模塊,將輸入連到P1.1,再在第二重配置中放置CSD模塊并設定四個感應鍵的Pin腳和相關參數,4個LED燈由程序通過IO口直接控制。下面是實施上面所說功能的主程序流程圖。所有被調用的函數均由系統生成并位于相應的庫函數中。
本文小結
觸摸感應正在越來越多的應用中被廣泛采用,而電容式觸摸感應技術已經成為觸摸感應技術的主流。在電容式觸摸感應技術的實施中,動態重配置可以使PSoC模塊資源得到更充分的利用。使實施CapSense Plus成為可能。它也給PSoC的應用設計工程師帶來了更多的想象空間和創造獨一無二的設計的機會。
作者:翁小平
資深主任應用工程師
賽普拉斯半導體
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