Cortex-M4核Kinetis平臺的電容式觸摸鍵盤設(shè)計(jì)
摘要:針對傳統(tǒng)機(jī)械式按鍵的不足,采用飛思卡爾Kinetis平臺K60系列MCU,設(shè)計(jì)了一種電容式觸摸鍵盤。闡述了電容式感應(yīng)觸摸原理,介紹了K60系列MCU的內(nèi)部TSI模塊工作機(jī)制,給出了簡化的接口設(shè)計(jì)和鍵盤PCB布局方法,最后詳細(xì)地分析了TSI模塊軟件驅(qū)動設(shè)計(jì)流程。
關(guān)鍵詞:Cortex-M4;電容式觸摸;Kinetis;TSI模塊;鍵盤PCB布局
引言
隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品的日益更新和智能化發(fā)展,人機(jī)交互接口(HMI)得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用,豐富了人們的體驗(yàn).而作為其中重要的一部分,觸控感應(yīng)技術(shù)也在快速發(fā)展。觸摔技術(shù)目前來講主要分為電阻式觸控和電容式觸控,作為近年來飛速發(fā)展的新技術(shù),電容式觸控感應(yīng)技術(shù)以其無機(jī)械損耗、壽命長、靈敏度高、節(jié)省空間和觸摸動作豐富等優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用,與此同時,半導(dǎo)體廠商也不斷地推出相應(yīng)技術(shù)的IC以簡化硬件設(shè)計(jì)人員的開發(fā)。汽車電子行業(yè)領(lǐng)先的飛思卡爾半導(dǎo)體廠商就在其新近推出的基于ARM Cortex-M4核的32位Kinetis系列MCU架構(gòu)之中嵌入了高性能的電容式觸摸感應(yīng)接口(Touch Sensing Interface,TSI)模塊,增強(qiáng)了電容觸摸感應(yīng)的穩(wěn)定性和魯棒性,同時也極大地簡化了設(shè)計(jì)人員的開發(fā)過程。本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是利用Kinetis系列中的K60MCU作為控制核心,完成電容觸摸鍵盤的軟硬件設(shè)計(jì)。
1 電容式觸摸感應(yīng)原理
目前基于IC設(shè)計(jì)的電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)主要有兩種:一種是把電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化,再通過內(nèi)部特殊的電容模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)過A/D采樣算出電容量;另一種是把電容值變化轉(zhuǎn)換成內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的變化,在外部電極上產(chǎn)生三角波充放電電壓信號,通過對該三角波電壓信號的周期進(jìn)行測量計(jì)數(shù)來反映外部電極的電容量變化。Silicon Labs推出的電容觸摸系列MCU采用的是前一種方法,而飛思卡爾的Kine tis K60內(nèi)部集成的TSI模塊采用的則是后面一種方法。
TSI模塊通過內(nèi)部的恒流源對外部電極進(jìn)行充放電,形成三角波電壓信號,其內(nèi)部硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示。三角波電壓信號的周期隨著外部電容的變化而變化,而手指作為虛擬地靠近電極時會造成電容容量的增加,使三角波電壓信號周期變長,如圖2所示。與此同時,TSI模塊內(nèi)部還有一個固定容量的電容構(gòu)成的振蕩器,以其產(chǎn)生的參考時鐘節(jié)拍對外部電極產(chǎn)生的三角波電壓信號的周期進(jìn)行計(jì)數(shù),外部電極電容量的變化引起三角波電壓信號周期的變化進(jìn)而引起測量計(jì)數(shù)值的變化,再通過內(nèi)部讀取相應(yīng)的計(jì)數(shù)器值即可算出電容量變化。根據(jù)TSI內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制,當(dāng)電容值超出設(shè)定的觸發(fā)閾值時,TSI觸發(fā)標(biāo)志位激活相應(yīng)的中斷請求,實(shí)現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)事件的響應(yīng)。
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