MSP430電容觸摸轉(zhuǎn)輪和LED PWM輸出設(shè)計(jì)

摘要

本應(yīng)用文檔介紹了使用MSP430微控制器實(shí)現(xiàn)電容觸摸轉(zhuǎn)輪和多路獨(dú)立LED的PWM軟件驅(qū)動(dòng)技術(shù)。方案通過4路I/O 端口實(shí)現(xiàn)電容觸摸轉(zhuǎn)輪控制，I/O端口配合三極管驅(qū)動(dòng)LED,實(shí)現(xiàn)LED呼吸、軌跡燈等效果。本方案為需要電容觸摸轉(zhuǎn)輪控制和LED跟蹤顯示等絢麗燈效的產(chǎn)品提供了有效的低成本方案。

簡介

電容觸摸技術(shù)作為一種實(shí)用、時(shí)尚的人機(jī)交互方式，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到各種電子產(chǎn)品，小到電燈開關(guān)，大到平板電腦、觸摸桌等。隨之而來的是考驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者如何發(fā)揮智慧，在把產(chǎn)品用戶界面設(shè)計(jì)得方便簡潔的同時(shí)，又能呈現(xiàn)產(chǎn)品絢麗的外觀，從而帶來良好的用戶體驗(yàn)。

LED顯示由于界面友好，可以實(shí)時(shí)反映觸摸的位置信息，在電容觸摸產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)正是利用了大量的LED來實(shí)現(xiàn)呼吸燈、軌跡燈的特效，可以為例如燈光、音量、溫度等帶有調(diào)節(jié)功能的產(chǎn)品提供設(shè)計(jì)參考。

德州儀器的MSP430系列單片機(jī)以低功耗和外設(shè)模塊的豐富性而著稱，而針對(duì)電容觸摸應(yīng)用，MSP430的PIN RO電容觸摸檢測方式支持IO口直接連接檢測電極，不需要任何外圍器件，極大的簡化了電路設(shè)計(jì)，而本設(shè)計(jì)文檔中使用的MSP430G2XX5更支持多達(dá)32個(gè)IO口，可驅(qū)動(dòng)24個(gè)以上的LED燈，達(dá)到理想的顯示效果。

1.電容觸摸轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)方案

MSP430電容觸摸轉(zhuǎn)輪方案通過4個(gè)IO口完成4個(gè)通道的電容檢測，配合特殊的電極圖形，就可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)。

1.1 電容觸摸實(shí)現(xiàn)原理

MSP430根據(jù)型號(hào)的不同支持多種電容觸摸檢測方式，有RC震蕩、比較器、PIN RO， 本設(shè)計(jì)使用的是PIN Relaxation Oscillator方式，原理如圖1，芯片管腳內(nèi)部檢測電路由施密特觸發(fā)器、反向器，以及一個(gè)電阻組成，震蕩信號(hào)經(jīng)過施密特觸發(fā)器變成脈沖信號(hào)，再通過反向器反饋回RC電路，通過Timer_A對(duì)施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行記數(shù)，再通過設(shè)置測量窗口Gate獲得記數(shù)的結(jié)果。當(dāng)手指觸摸電極，電極上的C產(chǎn)生變化，導(dǎo)致震蕩頻率改變，這樣在定長的測量窗口就能獲得不同的記數(shù)結(jié)果，一旦差值超過門限，結(jié)合一定的濾波算法判斷就可以觸發(fā)觸摸事件。

圖1 PIN RO原理圖

1.2 轉(zhuǎn)輪算法

將4個(gè)按鍵電極按照?qǐng)D2鋸齒狀交叉就形成了一個(gè)轉(zhuǎn)輪的電極，轉(zhuǎn)輪的大小根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要可進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s放，圖2的圖形設(shè)計(jì)適合30mm左右直徑的轉(zhuǎn)輪。

圖2 轉(zhuǎn)輪電極設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶在轉(zhuǎn)輪上操作的時(shí)候，在手指對(duì)應(yīng)位置的電極會(huì)獲得最高的信號(hào)值，手指臨近的通道會(huì)有相對(duì)高的信號(hào)值，離手指最遠(yuǎn)的通道檢測到的信號(hào)值最小，如圖3所示：

圖3 手指觸摸時(shí)不同電極上測量到的信號(hào)值

這時(shí)可以利用不同通道上信號(hào)值的不同計(jì)算出手指在轉(zhuǎn)輪或滑條上的位置。位置計(jì)算步驟如下：

a.用排序方法找出4 個(gè)電極中信號(hào)最大的電極

index = Dominant_Element(groupOfElements, measCnt[0]);

b.將找到的這個(gè)電極的信號(hào)加上相鄰電極的信號(hào)

position = measCnt[index] + measCnt[index+1] + measCnt[index-1];

相加后的結(jié)果如果大于門限，就認(rèn)為有觸摸事件產(chǎn)生，繼續(xù)后續(xù)的位置計(jì)算。 把前后信號(hào)相加的原因是手指在操作的過程中有可能處于兩個(gè)電極中間，這樣兩個(gè)電極上得到的信號(hào)都不會(huì)很高，需要把信號(hào)相加才可以與門限做比較。

c.計(jì)算位置坐標(biāo)時(shí)先根據(jù)篩選出的index 值得到一個(gè)大約的位置，再根據(jù)index 的相鄰電極信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行修正，得到最后的坐標(biāo)值

position = index*(groupOfElements->points/groupOfElements->numElements);

position += (groupOfElements->points/groupOfElements->numElements)/2;

position += (measCnt[index+1]*(groupOfElements->points/groupOfElements->numElements))/100;

position -= (measCnt[index-1]*(groupOfElements->points/groupOfElements->numElements))/100;

d.針對(duì)index為0或者3的情況代碼需要另外處理，不過計(jì)算方法和上述是一致的。

這里轉(zhuǎn)輪的分辨率，即轉(zhuǎn)輪一圈分為多少個(gè)段是根據(jù)points設(shè)定的，假設(shè)用戶只需要區(qū)分24個(gè)位置，就可以設(shè)points為24，當(dāng)然也可以設(shè)為64，128，甚至更高，這取決于轉(zhuǎn)輪的大小，電極圖形的設(shè)計(jì)以及電極的多少，例如需要類似1024這種高精度，需要增加電極數(shù)從4個(gè)到8個(gè)或者更多。

2.LED PWM驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)LED呼吸的效果，就要求LED進(jìn)行PWM調(diào)光，而要實(shí)現(xiàn)軌跡燈的效果，每一路LED必須是獨(dú)立的PWM控制。
本應(yīng)用由于使用了24個(gè)LED燈，需要24路的PWM輸出控制，MSP430G2955有32個(gè)IO口，通過IO口配合TIMER定時(shí)器，足夠支持24路的軟件PWM輸出。

3.設(shè)計(jì)實(shí)例

本實(shí)例采用德州儀器MSP430G2955，通過6個(gè)IO完成電容觸摸檢測，24個(gè)IO驅(qū)動(dòng)24路LED，并預(yù)留了通訊口。 設(shè)計(jì)實(shí)例如圖4

圖4 實(shí)例演示圖

3.1 電路設(shè)計(jì)

原理圖設(shè)計(jì)如圖4, MCU通過一個(gè)5V轉(zhuǎn)3.3V的LDO給VCC供電，使用LDO的目的是為了保證電源的穩(wěn)定，讓觸摸電路在檢測信號(hào)時(shí)不會(huì)因?yàn)殡娫吹脑肼暜a(chǎn)生過大的信號(hào)偏差。電極上串的電阻作為ESD保護(hù)器件，如果在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的情況下可以省去。電路中預(yù)留了UART口與主控系統(tǒng)通訊。

圖5 MCU電路

LED驅(qū)動(dòng)部分電路如圖5,由于每一個(gè)LED的電流在10mA左右，24個(gè)LED如果同時(shí)亮就有240mA，無法通過MCU IO口直接驅(qū)動(dòng)，在每個(gè)LED上加一個(gè)三極管以及限流電阻，實(shí)現(xiàn)24路LED的控制。

圖6 LED驅(qū)動(dòng)電路

3.2 代碼設(shè)計(jì)

3.2.1 LED驅(qū)動(dòng)

在編寫代碼控制LED點(diǎn)亮?xí)r序前，先定義好PWM輸出相關(guān)的規(guī)格：

• PWM輸出占空比設(shè)置為50%。

• 頻率為5KHz, 亮度的等級(jí)分為24級(jí)，0級(jí)的時(shí)候關(guān)閉LED，23的時(shí)候最亮。

• 使用2個(gè)TIMER進(jìn)行PWM輸出的控制。

• TIMERA0中斷頻率為24X5KHz=120KHz.

• TIMERB中斷間隔設(shè)為10ms，在TIMERB中進(jìn)行LED亮度等級(jí)的改變。

通過兩個(gè)TIMER的中斷配合，就可以完成24路獨(dú)立PWM輸出的控制。當(dāng)有觸摸事件產(chǎn)生時(shí)，根據(jù)觸摸位置對(duì)對(duì)應(yīng)的LED進(jìn)行亮度等級(jí)賦值，然后在TIMERB的中斷中讓亮度等級(jí)慢慢減少至零，這樣就可以實(shí)現(xiàn)手指離開電極后，對(duì)應(yīng)LED慢慢變暗的效果。

在兩個(gè)TIMER中斷里的程序流程圖如下圖7和圖8

圖7 TIMERB流程圖

圖8 TIMERA0流程圖

3.2.2 轉(zhuǎn)輪

德州儀器的電容觸摸軟件庫支持電容按鍵的信號(hào)檢測以及轉(zhuǎn)輪坐標(biāo)的計(jì)算，通過軟件庫相關(guān)參數(shù)的配置以及函數(shù)的調(diào)用就可以得到當(dāng)前觸摸事件的位置值，可以參考德州儀器的觸摸按鍵軟件庫獲得詳細(xì)介紹。

當(dāng)用戶在轉(zhuǎn)輪上做滑動(dòng)操作，LED的軌跡顯示應(yīng)該是N個(gè)燈同時(shí)被點(diǎn)亮，手指所在位置的燈最亮，之前滑過的軌跡上的燈一個(gè)比一個(gè)暗，N的數(shù)值由操作者滑動(dòng)的速度決定，如果滑的速度夠快，24個(gè)LED燈會(huì)同時(shí)被點(diǎn)亮，只是亮度不同。

在滑動(dòng)很快的操作時(shí)會(huì)帶來一個(gè)問題，電容按鍵掃描的周期跟不上滑動(dòng)的速度，導(dǎo)致坐標(biāo)的變化不是連續(xù)的，結(jié)果就是LED的軌跡不連貫，在連續(xù)的N個(gè)LED中有部分沒有被點(diǎn)亮。為了解決這個(gè)問題需要在轉(zhuǎn)輪坐標(biāo)計(jì)算后加入一個(gè)插值算法，在用戶操作過快的時(shí)候?qū)Ρ宦┑舻淖鴺?biāo)進(jìn)行補(bǔ)值，使得LED的軌跡連續(xù)。

插值的方法可以通過當(dāng)前位置和上一次位置的比較，決定是否要進(jìn)行插值，這里需要設(shè)置一個(gè)插值門限InterpolationThreshold，當(dāng)位置跳動(dòng)距離超過門限就不進(jìn)行插值，反正誤操作產(chǎn)生。

if((WheelPosition-LastPosition) InterpolationThreshold)
{
for (j=1;j=(WheelPosition-LastPosition+1);j++)
{
SetLightLevel(LastPosition+j);
}
}

除此之外，還需要對(duì)兩個(gè)特殊情況做處理，及正向和反向滑動(dòng)操作經(jīng)過轉(zhuǎn)輪坐標(biāo)0點(diǎn)。

4.總結(jié)

本文介紹了使用MSP430G系列單芯片實(shí)現(xiàn)電容觸摸轉(zhuǎn)輪和24路獨(dú)立PWM輸出LED控制方案，在一些需要低成本的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，又要對(duì)多種LED特效控制的場合，有很大的使用價(jià)值。

參考文檔

1. MSP430x2xx Family User’s Guide (SLAU144H)
2. MSP430_SLAS800_G2x55
3. Capacitive Touch Software Library Programmers Guide (Rev. A) (slaa490a)