觸摸傳感器QST108與PIC16F877A單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

1 概 述

QST108是意法半導(dǎo)體公司針對人機(jī)界面的觸摸按鍵控制而推出的電容觸摸傳感器。

其工作原理采用了美國昆騰公司的電荷轉(zhuǎn)移電容專利技術(shù)(QProx)，支持8個(gè)獨(dú)立按鍵，且可選擇按鍵狀態(tài)檢測輸出或I2C總線控制2種正常工作方式；同時(shí)，通過軟件命令可使其進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)有按鍵按下時(shí)可被喚醒。QST108特有的相鄰按鍵抑制算法使得一個(gè)按鍵在按下未松開時(shí)，其他按鍵處于無效狀態(tài)；自校準(zhǔn)和自動(dòng)漂移補(bǔ)償功能使其無須人工校準(zhǔn)，從而進(jìn)一步降低了QST108的應(yīng)用難度。引腳配置如圖1所示，各引腳功能如表1所列。

2 QST108的工作方式

2.1 按鍵狀態(tài)檢測輸出方式

QST108具有按鍵狀態(tài)檢測輸出和I2C總線控制2種正常工作方式。引腳OPT1的高低電平?jīng)Q定QST108的具體工作方式：高電平，工作在按鍵狀態(tài)檢測輸出方式；低電平，則為I2C總線控制方式。當(dāng)工作在按鍵狀態(tài)檢測輸出方式時(shí)，8個(gè)按鍵的狀態(tài)由引腳OPT6的電平?jīng)Q定，直接或以BCD碼方式通過引腳KOUT1～KOUT8輸出。其中，BCD碼方式只用到引腳KOUT1～KOUT4。由于該操作模式較簡單，本文只詳細(xì)討論了QST108工作在I2C總線控制方式下，與PIC單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)。

2.2 I2C總線控制方式

該方式下，QST108通過I2C總線與微控制器相連。QST108作為從機(jī)，引腳OPT4、OPT3、OPT2的輸入電平?jīng)Q定了QST108作為I2C總線上從機(jī)地址的低3位，高4位地址固定為0101。通過軟件設(shè)置可提供QST108使用的最大靈活性?？商峁?個(gè)引腳作為通用輸出端口。

3 QST108的主要操作命令

當(dāng)QST108在I2C總線控制方式下工作時(shí)，主要是通過I2C總線協(xié)議向QST108發(fā)送各種控制命令，其中包括初始化設(shè)置命令、QST108的按鍵狀態(tài)讀出命令等。操作命令按其長度分為短命令幀和擴(kuò)展命令幀。考慮到前者已可完成QST108的正常操作，本文只介紹短命令幀。其數(shù)據(jù)格式如表2所列，常用命令如表3所列。注意，當(dāng)QST108收到不同的命令時(shí)，會(huì)給出不同的應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)。

當(dāng)命令為短幀結(jié)構(gòu)時(shí)，命令幀的首字節(jié)的最高位為1，以與擴(kuò)展命令相區(qū)別。命令I(lǐng)D是命令編號(hào)，由5位數(shù)據(jù)組成，用來區(qū)分不同的命令；參數(shù)位只有1位，當(dāng)該位置1時(shí)代表該命令具有1個(gè)字節(jié)的參數(shù)，若為0則該命令無參數(shù)且無校驗(yàn)和字節(jié)；校驗(yàn)位用來產(chǎn)生奇校驗(yàn)，注意該校驗(yàn)位只針對命令幀的首字節(jié)(即命令幀的第1個(gè)字節(jié)中，“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù))；8位校驗(yàn)和是命令幀的前2個(gè)字節(jié)的累加和的低8位。

若QST108未能正確接收到命令或接收了非法命令，則會(huì)給出統(tǒng)一的含有錯(cuò)誤代碼的應(yīng)答幀(只包含一個(gè)字節(jié))，如表4所列。對QST108來說，與讀觸摸按鍵狀態(tài)命令相對應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表5所列。

由表4可知，錯(cuò)誤幀只有一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，校驗(yàn)位提供了判斷是否正確接收了該數(shù)據(jù)的簡單依據(jù)。錯(cuò)誤代碼共6位，用來區(qū)分不同的錯(cuò)誤。比如，錯(cuò)誤代碼為0x01，表示QST108收到一個(gè)非法命令；錯(cuò)誤代碼為0x11，表示接收的命令的校驗(yàn)和出錯(cuò)等。

由表5可知該應(yīng)答幀的長度為4個(gè)字節(jié)，SCK1～SCK8分別代表了觸摸按鍵的狀態(tài)，為1表示相應(yīng)的按鍵按下，為0表示對應(yīng)的按鍵沒有按下；最后一個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)和，即應(yīng)答幀前3個(gè)字節(jié)的累加和的低8位。需要強(qiáng)調(diào)的是，按鍵錯(cuò)誤代碼只有低3位有效：位0表示QST108正在進(jìn)行校準(zhǔn)狀態(tài)；位1表示目前累加的按鍵次數(shù)是否到了器件提供的最大按鍵數(shù)目，為1表示達(dá)到最大數(shù)目；位2表示目前是否達(dá)到最少按健次數(shù)。同時(shí)，還需注意區(qū)分QST108發(fā)出的應(yīng)答幀是錯(cuò)誤幀，還是正確接收到命令給出的正常應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)。辦法很簡單，當(dāng)軟件讀取應(yīng)答幀的第1個(gè)字節(jié)后判斷其最高位：是0，表示為正常的應(yīng)答；是1，表示接收的為錯(cuò)誤幀，此時(shí)主機(jī)只需產(chǎn)生停止位并進(jìn)行出錯(cuò)處理或停止操作。

4 QST108與PIC的接口電路

圖2給出了基于QST108與PIC單片機(jī)的觸摸按鍵檢測實(shí)用電路設(shè)計(jì)。QST108與PIC通過I2C總線通信，接口簡單，按鍵輸入部分參考了其數(shù)據(jù)手冊給出的典型應(yīng)用電路圖的設(shè)計(jì)方法。單片機(jī)選用PIC16F877A，其片內(nèi)資源豐富，MSSP模塊支持I2C總線協(xié)議，控制QST108非常方便。QST108的IRQ引腳與PIC16F877A的外部中斷輸入引腳RB0相連，由于IRQ引腳為開漏輸出，所以必須接上拉電阻。當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，IRQ引腳由高變低觸發(fā)PIC16F877A產(chǎn)生外部中斷，單片機(jī)發(fā)出讀取按鍵狀態(tài)命令從而確定哪個(gè)鍵被按下，之后根據(jù)不同的按鍵進(jìn)行不同處理。

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括PIC16F877A和QST108的初始化、觸摸按鍵檢測子程序、單片機(jī)的中斷程序，以及根據(jù)按鍵檢測的結(jié)果進(jìn)行各種處理的程序等。限于篇幅，本文只給出了PIC16F877A讀取按鍵狀態(tài)的子程序。假設(shè)QST108的器件地址為0，程序如下：

結(jié) 語

本文著重介紹了電容式觸摸傳感器QST108的工作方式、主要操作命令以及QST108與PIC單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)。QST108允許用戶用普通或撓性印制電路板設(shè)計(jì)8鍵電容性觸摸板，因此可將導(dǎo)電墨印刷在電路板上作為感應(yīng)電極；基于QST108應(yīng)用的外部組件需求很少，每個(gè)通道只需1個(gè)采樣電容和1個(gè)電阻。由于具有這些特點(diǎn)，QST108非常適合應(yīng)用在能夠?qū)τ脩粲|摸做出響應(yīng)的智能控制界面中。