Microchip Attiny1616 觸摸感應設計方案EVB

觸摸感應正在成為一種潮流。無(wú)論是我們家里的冰箱、空調、洗衣機，辦公室的筆記本、臺式機，還是手中的手機、iPad、遙控器，亦或汽車(chē)的中控屏、娛樂(lè )屏、車(chē)窗控制、車(chē)門(mén)控制、燈光調節、溫度調節……，觸摸感應方式幾乎隨處可見(jiàn)，正以它的美觀(guān)耐用吸引著(zhù)大家。在市場(chǎng)瞬息萬(wàn)變的今天，我們迫切需要一種觸摸感應設計，它操作簡(jiǎn)單，并在很短的時(shí)間內就可以完成。本方案以Microchip ATTINY1616為例，介紹如何方便、靈活地實(shí)現觸摸按鍵、滑條的設計。您的產(chǎn)品也將受到更多的人追捧。

下面我將從原理、抗噪、防水、軟件、硬件、調試等方面展開(kāi)介紹，讓您輕松進(jìn)入觸摸世界。

電容感應原理

電容感應分為自電容和互電容，本方案采用的是自電容感應，如果您對互電容也比較感興趣，請與大聯(lián)大品佳當地辦事處聯(lián)系。簡(jiǎn)單而言，電容感應原理就是檢測Sensor電容的變化。Sensor(電容式按鍵和滑條)就是PCB上的鋪銅，Sensor和地之間會(huì )有一個(gè)寄生電容Cp，當觸摸發(fā)生時(shí)，會(huì )再形成一個(gè)電容，稱(chēng)作手指電容Cf, 這時(shí)候總的電容就變?yōu)镃s, 也就是Cp+Cf。如下圖所示。

Microchip 的ATTINY1616是一顆8位的MCU, 配合Atmel Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境可以非常方便地實(shí)現觸摸按鍵、滑條、滾輪等設計。

Microchip電容感應技術(shù)有兩種，一種是基于mTouch?技術(shù)CVD，許多PIC?器件支持CVD。另一種是QTouch?技術(shù)PTC，許多AVR? MCU、 SAM MCU和MPU都配有PTC。本方案ATTINY1616采用的是QTouch技術(shù)。

自電容傳感器模型如下：

電極的自電容是相對于電路GND網(wǎng)絡(luò )，測量傳感器電極對GND電容變化。

· 抗噪設計

噪聲問(wèn)題是電容式觸摸無(wú)法避免的問(wèn)題。在我們的生活中，有很多噪聲源，比如對講機、手機、電機、熒光燈、插座等。差模噪聲會(huì )影響所有的觸摸按鈕，例如輻射噪聲熒光燈以及靠近前面板的RF發(fā)射器，傳導噪聲前面板上的LED以及應用中的電機等。共模噪聲只影響被觸摸的按鍵，例如電源噪聲、開(kāi)關(guān)模式PSU、與存在噪聲的設備有線(xiàn)通信等。共模噪聲并不明顯，只是在觸摸之后才能感受到，對于設計人員來(lái)說(shuō)更有挑戰。不管是共模噪聲還是差模噪聲，在設計之初都需要考慮好抗噪。Microchip觸摸方案可以做到很好的抗噪設計，可以通過(guò)硬件設計+軟件調試實(shí)現。

· 防水設計

防水設計也是電容式觸摸需要考慮的問(wèn)題。不管是水霧、水滴、還是水流，都會(huì )對按鍵或滑條本身的電容產(chǎn)生影響，產(chǎn)生誤觸摸或者觸摸無(wú)反應現象，如下圖所示。

Microchip觸摸方案可以通過(guò)增加Driven Shield或Driven Shield+來(lái)實(shí)現防水設計。

· 硬件設計

硬件設計的時(shí)候請注意面板不能是導電的！需要確認其成分！如果摻雜了“微量”金屬，一定要取得材料提前測試！要讓所有項目參與者了解，尤其是采購！

PCB Layout注意事項如下：

1. 走線(xiàn)盡量細。尤其是信號接收線(xiàn)。推薦走工藝許可的最小線(xiàn)寬。如果是ITO或PEDOT等高阻抗透明線(xiàn)，要綜合考慮阻抗和加寬之后可能引入的干擾。線(xiàn)長(cháng)控制在150mm以?xún)取?/p>

2. 透明材料有一個(gè)方阻的概念。而且阻值比較高（高的有Kohm級別）。在布線(xiàn)的時(shí)候時(shí)刻要注意用銀漿線(xiàn)降低阻抗。

3. 對于互容設計，X線(xiàn)可以與X線(xiàn)成束并排走線(xiàn)，Y線(xiàn)可以與Y線(xiàn)成束并排走線(xiàn)，線(xiàn)間距最好達到至少兩倍線(xiàn)寬。但是X線(xiàn)與Y線(xiàn)在非按鍵區一定要有地線(xiàn)隔離。地線(xiàn)寬至少取X/Y線(xiàn)寬的3倍。

4. X/Y引腳預留0603尺寸以上的電阻，以處理可能的EMC問(wèn)題。電阻靠近芯片擺放。

5. 如果結構上實(shí)在沒(méi)有辦法搞定ESD，可以考慮外加TVS。需要考慮總體的電容量，選擇容值足夠小的器件，并擺放在PCB板進(jìn)線(xiàn)處。

6. 如果通過(guò)接口轉接，接口要盡量靠近芯片擺放。

7. 盡量遠離電源線(xiàn)/地線(xiàn)/其他信號線(xiàn)，尤其是大電流的高速切換信號線(xiàn)，比如PWM調光的LED連線(xiàn)，要通過(guò)地層隔離、移到其他層和/或使用Driven Shield的方式降低干擾。

8. 電極與Shield的耦合要盡量低；電極與 GND在各個(gè)方向上的間距至少為前面板厚度的一半。詳細信息請參見(jiàn)如下鏈接“l(fā)ayout with driven shield”的部分 http://microchipdeveloper.com/touch:guide-for-ptc-driven-shield-design同時(shí)要注意，這種方式不適合FPC。

· 軟件設計

ATTINY1616可以通過(guò)Atmel Studio（Microchip Studio）或MPLAB-X-IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件設計。

本文以Atmel Studio為例進(jìn)行設計。下載網(wǎng)址：https://www.microchip.com/en-us/development-tools-tools-and-software/microchip-studio-for-avr-and-sam-devices

Microchip MCU的優(yōu)勢之一就是集成了CIP（獨立于內核的外設）,  ATTINY1616也不例外。 QTouch?外設觸摸控制器（ Peripheral Touch Controller， PTC）可以用于按鈕、滑條和滾輪設計，提供用于電容式觸摸測量的內置硬件。 PTC 支持互電容和自電容測量，無(wú)需任何外部元件，即能夠提供出色的靈敏度、抗噪性以及自校準功能，并且可最大限度地降低用戶(hù)調節靈敏度所需的工作量。

使用Atmel Studio可以非常方便的添加按鍵、滑條、滾輪等設計，并且對參數進(jìn)行調節。

使用Data Visualizer可視化觸摸數據調試可以非常方便直觀(guān)地觀(guān)測到觸摸存在時(shí)數據和圖形的變化。

· 調試工具

調試工具可以選擇MPLAB PICkit 4（對應開(kāi)發(fā)環(huán)境MPLAB-X-IDE）或ATATMEL-ICE（對應開(kāi)發(fā)環(huán)境Atmel Studio）。

ATATMEL-ICE介紹：https://www.microchip.com/DevelopmentTools/ProductDetails/PartNO/ATATMEL-ICE。

? 場(chǎng)景應用圖

? 展示版照片

? 方案方塊圖

? 核心技術(shù)優(yōu)勢

Microchip提供完整的觸摸解決方案，可以適用于所有市場(chǎng)的觸摸用例——從單個(gè)按鍵、滑條（1D）到觸摸板和觸摸屏（2D），以及接近傳感檢測和3D手勢控制等。下面介紹一下1D Touch的性能優(yōu)勢。

1. 耐抗噪聲能力

? 高信噪比（SNR）

? 經(jīng)過(guò)IEC61000 EFT和BCI測試

2. 耐水性觸摸功能

? 觸摸界面可以在各種環(huán)境條件（包括潮濕表面）下正常使用，而無(wú)需在每次使用其設備前清潔或擦干手。

3. 金屬表面觸摸功能、防水觸摸功能 Microchip提供金屬表面電容（MoC）技術(shù)，可支持：

? 金屬表面：不銹鋼或鋁

? 可透過(guò)任何厚度的手套進(jìn)行檢測

? 防水設計

? 支持盲文的界面

4. 低功耗

? PIC、AVR和SAM器件上的專(zhuān)用硬件支持最低功耗的觸摸功能，其電容傳感電流低于5 μA

5. 支持互電容觸摸傳感，可支持多按鍵數 Microchip優(yōu)化和增強了以矩陣方式掃描大量按鈕的方法?？蓮亩鄠€(gè)方面節省成本：

? 減少饋送線(xiàn)數量，簡(jiǎn)化輸入輸出（flexPCB）端口的連接

? 減少觸摸所需的引腳數，使器件具備高成本效益且占用空間較小

? 通過(guò)Microchip的獨特固有饋送線(xiàn)路長(cháng)度補償，大幅縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間

6. 經(jīng)過(guò)安全認證的觸摸傳感功能

? Microchip 提供通過(guò)IEC/UL 60730安全B類(lèi)標準認證的產(chǎn)品（現成產(chǎn)品和傳感庫）。

? 方案規格

Microchip ATTINY1616

? 最多可實(shí)現12個(gè)自容式按鍵/36個(gè)互容式按鍵

? 可實(shí)現滑條、滾輪等設計

? 支持Driven Shield和Driven Shield+

? 具備I2C/SPI/UART接口

? 有車(chē)規產(chǎn)品