Журнал "Новости Электроники", номер 6, 2008 год.Новое поколение датчиков с цифровым выходом для сенсорного управления
Алексей Архипов (Freescale Semiconductor)Применение новых емкостных датчиков серии MPR08x компании Freescale Semiconductor при создании бесконтактных клавиатур в устройствах промышленной, медицинской и бытовой электроники позволяет расширить области применения данных устройств, увеличить надёжность и снизить конечную стоимость изделий.
Все емкостные датчики приближения, производимые компанией Freescale Semiconductor, содержат низкочастотный генератор синусоидального напряжения, нагруженный на RC-контур. К контуру подключены чувствительный контакт, выпрямитель, НЧ-фильтр и индикатор постоянного выходного напряжения (рис. 1).
Рис. 1. Принцип работы емкостного датчика приближения
RC-контур образуется выходным сопротивлением генератора и паразитной емкостью, величина которой очень мала, а реактивное сопротивление достаточно высоко. Вследствие этого в обычном режиме, когда вблизи контакта нет посторонних объектов, напряжение на паразитной выходной емкости (и на подключенном к той же точке контакте) почти равно напряжению холостого хода генератора (напряжению в точке (а)).
Когда же какой-либо объект, например палец человека, приближается к контакту, он образует вместе с контактом обкладки конденсатора значительно большей емкости, реактивное сопротивление в точке (б) уменьшается и напряжение в этой точке снижается, что приводит к снижению напряжения и на выходе фильтра.
Компания Freescale недавно анонсировала новое семейство датчиков приближения (proximity sensors) - MPR08x, которое было специально разработано для создания бесконтактных клавиатур (таблица 1).
Таблица 1. Характеристики микросхем MPR083 и MPR084| Название микросхемы | Характеристики | Тип корпуса |
|---|---|---|
| MPR083 | 8-позиционный поворотный переключатель 1,8...3,6 В -40...85°С | QFN-16 TSSOP-16 |
| MPR084 | 8 независимых сенсорных клавишь 1,8...3,6 В -40...85°С | QFN-16 TSSOP-16 |
В настоящий момент данное семейство состоит из двух типов датчиков: MPR084 - для создания клавиатур и MPR083 - для создания поворотных переключателей.
На рис. 2 представлена блок-схема датчика MPR084, число сенсорных клавиш которого равно числу сенсорных выводов микросхемы.
Рис. 2. Датчик для клавиатуры на 8 клавиш MPR084 (а) - блок-схема (б) - принципиальная схема
Измеритель емкости в данной микросхеме содержит устройство сканирования, подающее напряжение генератора поочередно на одну из контактных площадок. После окончания цикла сканирования по падению напряжения на выходе генератора ниже порогового уровня определяется, к какой из клавиш приближается палец пользователя. Сигналы с компаратора поступают на декодер позиции, который записывает состояние системы в регистр конфигурации состояния. Затем данные передаются на ведущий контроллер через последовательный интерфейс I2C. Приближение пальца к контакту отмечается характерным щелчком, имитирующим щелчок механического выключателя, который формируется с помощью внешнего звукоизлучателя и встроенного звукового генератора.
При обычном способе построения пользователю предлагается работать со стандартным видом клавиш. В современных сенсорных панелях управления для сотовых телефонов, смартфонов, КПК и тому подобных портативных устройств зачастую применяются также поворотные переключатели (рис. 3).
Рис. 3. 8-позиционный сенсорный поворотный переключатель на базе микросхемы MPR083
Для создания такого рода переключателя необходимо расположить сенсорные площадки (контакты) по кругу, и движение пальца по этому кругу будет имитировать вращение ручки переключателя. В портативном устройстве такой переключатель может использоваться, например, для выбора программы. При движении пальца по кругу подсвечиваются различные программы в меню, и после выбора нажимается клавиша ввода.
Для реализации подобного устройства может быть применена специализированная микросхема - MPR083 (рис. 4).
Рис. 4. Блок-схема 8-позиционного сенсорного поворотного переключателя на базе микросхемы MPR083
Принципиальная схема подключения аналогична MPR084, с той лишь разницей, что используется другой «рисунок» контактов.
Основные характеристики микросхем MPR083 и MPR084 представлены в таблице 2.
Таблица 2. Основные характеристики и преимущества MRP083 и MRP084| Основные характеристики | Преимущества |
|---|---|
| 8 выводов | Возможность одновременного обслуживания восьми сенсорных клавиш или 8-позиционного поворотного переключателя |
| Напряжение питания - 1,8...3,6 В | Оптимально для портативной электроники и работы с сенсорными клавиатурами |
| Ток потребления в режиме сканирования - 150 мкА, в режиме ожидания - 1 мкА | Низкое энергопотребление, увеличение срока службы батареи |
| Связь с внешним МК в режиме прерывания | Нет необходимости в опросе микросхемы |
| Наличие регистра конфигурации состояния | Хранение восьми последних состояний |
| Поворотная и кнопочная клавиатуры | Возможность работы в системах с различной конфигурацией |
| Цифровой выход (I2C - интерфейс) | Упрощенный интерфейс для связи с микроконтроллером на базе стандартного интерфейса для портативной электроники |
| Диапазон рабочих температур: -40...85°С | Широкий температурный диапазон для использования в различных областях применения |
| Тип корпуса: TSSOP-16, QFN-16, 5x5x1 мм RoHS | Наличие различных альтернативных решений при проектировании печатной платы, экологическая безопасность |
Помимо двух вышеописанных датчиков компания Freescale намерена в ближайшем будущем расширить данное семейство еще двумя представителями - MPR081 и MPR082 (совместимые по выводам с MPR083 и MPR084 соответственно), которые будут представлять собой расширенные версии предыдущих вариантов. Они будут способны работать с 16-клавишными и 16-позиционными поворотными переключателями, используя мультиплексные схемы подключения контактов.
Сравнение емкостных датчиков приближения различных производителей приведено в таблице 3.
Таблица 3. Сравнительные характеристики датчиков приближения различных производителей
| Название микросхемы | MPR083/4 | QT1080 | AD7142 | CY8C24094 |
|---|---|---|---|---|
| Количество выводов | 8 | 8 | 14 | 24 |
| Диапазон рабочих напряжений, В | 1,8...3,6 | 2,8...5,5 | 2,6...3,6 | 3,0...5,2 |
| Наличие сторожевого таймера | + | - | - | + |
| Наличие таймера сброса | + | - | - | - |
| Тип корпуса | TSSOP-16, QFN-16 | TQFN-32, SSOP-48 | LFCSP-32 | QFN-56 |
| Доступные интерфейсы связи | I2C | аналоговый | SPI, I2C | USB, I2C |
| Диапазон рабочих температур, °С | -40...85 | -40...85 | -40...150 | -40...85 |
Для начала процесса разработки сенсорных панелей на основе датчиков семейства MPR08x Freescale Semiconductor предлагает две оценочные платы.
Рис. 5. Оценочная плата для проектирования сенсорной клавиатуры с использованием датчика MPR084
Плата KITMPR084EVM предназначена для разработки сенсорной клавиатуры на 8 клавиш с использованием датчика MPR084 и содержит (рис. 5):
- Непосредственно датчик - MPR084;
- Микроконтроллер MC68HC908JB8JDW, обеспечивающий связь с PC посредством USB-интерфейса;
- Восемь контактных площадок, закрытых изолирующей пластиной;
- Звукоизлучатель и светодиодные индикаторы;
- Разъемы для подключения внешних сенсорных панелей.
Аналогичную конструкцию имеет и плата KITMPR083EVM, предназначенная для разработки сенсорного поворотного слайдера с использованием датчика MPR083, но вместо клавиш на его сенсорной площадке расположен 8-позиционный поворотный переключатель (рис. 6).
Рис. 6. Оценочная плата для проектирования сенсорного поворотного слайдера с использованием датчика MPR083
Емкостные датчики приближения серии MPR08x компании Freescale Semiconduсtor - недорогой и современный продукт. Использование микросхем данной серии дает разработчикам свободу проектирования высокотехнологичных устройств на основе сенсорных технологий и возможность самостоятельного выбора размера и формы контакта, в полной мере удовлетворяющего каждому конкретному приложению.
| Ваш комментарий к статье | ||||
