MSP430 電容觸摸轉輪和LED PWM 輸出設計

簡(jiǎn)介

電容觸摸技術(shù)作為一種實(shí)用、時(shí)尚的人機交互方式，已經(jīng)被廣泛的應用到各種電子產(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)的是考驗產(chǎn)品設計者如何發(fā)揮智慧，在把產(chǎn)品用戶(hù)界面設計得方便簡(jiǎn)潔的同時(shí)，又能呈現產(chǎn)品絢麗的外觀(guān)，從而帶來(lái)良好的用戶(hù)體驗。

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)品設計中得到廣泛應用。本設計正是利用了大量的LED 來(lái)實(shí)現呼吸燈、軌跡燈的特效，可以為例如燈光、音量、溫度等帶有調節功能的產(chǎn)品提供設計參考。

德州儀器的MSP430 系列單片機以低功耗和外設模塊的豐富性而著(zhù)稱(chēng)，而針對電容觸摸應用，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(jiǎn)化了電路設計，而本設計文檔中使用的MSP430G2XX5 更支持多達 32 個(gè)IO 口，可驅動(dòng)24 個(gè)以上的LED 燈，達到理想的顯示效果。

1. 電容觸摸轉輪實(shí)現方案

MSP430 電容觸摸轉輪方案通過(guò)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)現轉輪的設計。

1.1 電容觸摸實(shí)現原理

MSP430 根據型號的不同支持多種電容觸摸檢測方式，有RC 震蕩、比較器、PIN RO，本設計使用的是PIN Relaxation Oscillator 方式，原理如圖1，芯片管腳內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，震蕩信號經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器變成脈沖信號，再通過(guò)反向器反饋回RC 電路，通過(guò)Timer_A對施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行記數，再通過(guò)設置測量窗口Gate 獲得記數的結果。當手指觸摸電極，電極上的C 產(chǎn)生變化，導致震蕩頻率改變，這樣在定長(cháng)的測量窗口就能獲得不同的記數結果，一旦差值超過(guò)門(mén)限，結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 轉輪算法

將4 個(gè)按鍵電極按照圖2 鋸齒狀交叉就形成了一個(gè)轉輪的電極，轉輪的大小根據產(chǎn)品設計的需要可進(jìn)行適當的縮放，圖 2 的圖形設計適合30mm 左右直徑的轉輪。

圖 2 轉輪電極設計

當用戶(hù)在轉輪上操作的時(shí)候，在手指對應位置的電極會(huì )獲得最高的信號值，手指臨近的通道會(huì )有相對高的信號值，離手指最遠的通道檢測到的信號值最小，如圖 3 所示：

圖 3 手指觸摸時(shí)不同電極上測量到的信號值

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

a. 用排序方法找出4 個(gè)電極中信號最大的電極

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

b. 將找到的這個(gè)電極的信號加上相鄰電極的信號

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

相加后的結果如果大于門(mén)限，就認為有觸摸事件產(chǎn)生，繼續后續的位置計算。把前后信號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)電極上得到的信號都不會(huì )很高，需要把信號相加才可以與門(mén)限做比較。

c. 計算位置坐標時(shí)先根據篩選出的index 值得到一個(gè)大約的位置，再根據index 的相鄰電極信號強度進(jìn)行修正，得到最后的坐標值

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index 為0 或者3 的情況代碼需要另外處理，不過(guò)計算方法和上述是一致的。

這里轉輪的分辨率，即轉輪一圈分為多少個(gè)段是根據points 設定的，假設用戶(hù)只需要區分24 個(gè)位置，就可以設points 為24，當然也可以設為64，128，甚至更高，這取決于轉輪的大小，電極圖形的設計以及電極的多少，例如需要類(lèi)似1024 這種高精度，需要增加電極數從4 個(gè)到8 個(gè)或者更多。

2. LED PWM 驅動(dòng)方案實(shí)現

要實(shí)現LED 呼吸的效果，就要求LED 進(jìn)行PWM 調光，而要實(shí)現軌跡燈的效果，每一路LED必須是獨立的PWM 控制。

本應用由于使用了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. 設計實(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，24 個(gè)IO 驅動(dòng)24路LED，并預留了通訊口。設計實(shí)例如圖 4

圖 4 實(shí)例演示圖

3.1 電路設計

原理圖設計如圖 4, MCU 通過(guò)一個(gè)5V 轉3.3V 的LDO 給VCC 供電，使用LDO 的目的是為了保證電源的穩定，讓觸摸電路在檢測信號時(shí)不會(huì )因為電源的噪聲產(chǎn)生過(guò)大的信號偏差。電極上串的電阻作為ESD 保護器件，如果在產(chǎn)品結構設計合理的情況下可以省去。電路中預留了UART 口與主控系統通訊。

圖 5 MCU 電路