Новое поколение датчиков с цифровым выходом для сенсорного управления

22 мая 2008

Freescaleстатья

 

 

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).

 

Принцип работы емкостного датчика приближения

 

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.

 

Датчик для клавиатуры на 8 клавиш MPR084 (а) - блок-схема (б) - принципиальная схема

 

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).

 

8-позиционный сенсорный поворотный переключатель на базе микросхемы MPR083

 

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).

 

Блок-схема 8-позиционного сенсорного поворотного переключателя на базе микросхемы MPR083

 

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.

 

Оценочная плата для проектирования сенсорной клавиатуры с использованием датчика MPR084

 

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).

 

Оценочная плата для проектирования сенсорного поворотного слайдера с использованием датчика MPR083

 

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.

Ответственный за направление в КОМПЭЛеВалерий Куликов

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: sensors.vesti@compel.ru

 

•••

Наши информационные каналы

О компании Freescale

Freescale is creating a smarter, better connected world. Already, there are more than 18 billion Freescale semiconductors at work all over the planet. You’ll find them embedded all around you: in automobiles, computer networks, communications infrastructure, office buildings, factories, industrial equipment, tools, mobile phones, home appliances and consumer products that touch every aspect of your daily life. We see a world where intelligence and connectivity are embedded everywhere. That’s the ...читать далее