Cortex-M4核Kinetis平臺的電容式觸摸鍵盤(pán)設計

摘要：針對傳統機械式按鍵的不足，采用飛思卡爾Kinetis平臺K60系列MCU，設計了一種電容式觸摸鍵盤(pán)。闡述了電容式感應觸摸原理，介紹了K60系列MCU的內部TSI模塊工作機制，給出了簡(jiǎn)化的接口設計和鍵盤(pán)PCB布局方法，最后詳細地分析了TSI模塊軟件驅動(dòng)設計流程。
關(guān)鍵詞：Cortex-M4；電容式觸摸；Kinetis；TSI模塊；鍵盤(pán)PCB布局

引言
隨著(zhù)現代電子產(chǎn)品的日益更新和智能化發(fā)展，人機交互接口(HMI)得到越來(lái)越多的關(guān)注和應用，豐富了人們的體驗．而作為其中重要的一部分，觸控感應技術(shù)也在快速發(fā)展。觸摔技術(shù)目前來(lái)講主要分為電阻式觸控和電容式觸控，作為近年來(lái)飛速發(fā)展的新技術(shù)，電容式觸控感應技術(shù)以其無(wú)機械損耗、壽命長(cháng)、靈敏度高、節省空間和觸摸動(dòng)作豐富等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應用，與此同時(shí)，半導體廠(chǎng)商也不斷地推出相應技術(shù)的IC以簡(jiǎn)化硬件設計人員的開(kāi)發(fā)。汽車(chē)電子行業(yè)領(lǐng)先的飛思卡爾半導體廠(chǎng)商就在其新近推出的基于A(yíng)RM Cortex-M4核的32位Kinetis系列MCU架構之中嵌入了高性能的電容式觸摸感應接口(Touch Sensing Interface，TSI)模塊，增強了電容觸摸感應的穩定性和魯棒性，同時(shí)也極大地簡(jiǎn)化了設計人員的開(kāi)發(fā)過(guò)程。本文中設計的系統就是利用Kinetis系列中的K60MCU作為控制核心，完成電容觸摸鍵盤(pán)的軟硬件設計。

1 電容式觸摸感應原理
目前基于IC設計的電容式觸摸感應技術(shù)主要有兩種：一種是把電容值的變化轉換成電壓的變化，再通過(guò)內部特殊的電容模數轉換器經(jīng)過(guò)A／D采樣算出電容量；另一種是把電容值變化轉換成內部計數器計數值的變化，在外部電極上產(chǎn)生三角波充放電電壓信號，通過(guò)對該三角波電壓信號的周期進(jìn)行測量計數來(lái)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內部集成的TSI模塊采用的則是后面一種方法。

TSI模塊通過(guò)內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，其內部硬件電路設計如圖1所示。三角波電壓信號的周期隨著(zhù)外部電容的變化而變化，而手指作為虛擬地靠近電極時(shí)會(huì )造成電容容量的增加，使三角波電壓信號周期變長(cháng)，如圖2所示。與此同時(shí)，TSI模塊內部還有一個(gè)固定容量的電容構成的振蕩器，以其產(chǎn)生的參考時(shí)鐘節拍對外部電極產(chǎn)生的三角波電壓信號的周期進(jìn)行計數，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)而引起測量計數值的變化，再通過(guò)內部讀取相應的計數器值即可算出電容量變化。根據TSI內部運行機制，當電容值超出設定的觸發(fā)閾值時(shí)，TSI觸發(fā)標志位激活相應的中斷請求，實(shí)現電容觸摸感應事件的響應。