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

簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)，大到平板電腦、觸摸桌等。隨之而來(lái)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(jiǎn)潔的同時(shí)，又能呈現(xiàn)產(chǎn)品絢麗的外觀，從而帶來(lái)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(lái)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(cè)方式支持IO 口直接連接檢測(cè)電極，不需要任何外圍器件，極大的簡(jiǎn)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(guò)4 個(gè)IO 口完成4 個(gè)通道的電容檢測(cè)，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(cè)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(cè)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(guò)施密特觸發(fā)器變成脈沖信號(hào)，再通過(guò)反向器反饋回RC 電路，通過(guò)Timer_A對(duì)施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行記數(shù)，再通過(guò)設(shè)置測(cè)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(zhǎng)的測(cè)量窗口就能獲得不同的記數(shù)結(jié)果，一旦差值超過(guò)門(mén)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(cè)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(cè)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(mén)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(guò)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(mén)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(guò)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(guò)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(guò)6 個(gè)IO 完成電容觸摸檢測(cè)，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(guò)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(cè)信號(hào)時(shí)不會(huì)因?yàn)殡娫吹脑肼暜a(chǎn)生過(guò)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