Ємнісними сенсорами або сенсорними перемикачами зазвичай називають ємнісні датчики наближення / торкання Сучасні сенсорні технології дозволяють створювати клавіші, матриці перемикачів, слайдери, панелі управління різноманітної форми і навіть сенсорні дисплеї, які позбавлені традиційних проблем минулого: складності в розробці, низької надійності і нестабільності в роботі Сьогодні сенсори є дешевшими і більш надійними, ніж їх електромеханічні аналоги Існує кілька популярних безконтактних сенсорних технологій: резистивні плівки, генерація електричного поля, емкостная, акустична, інфрачервона та деякі інші Кожна технологія має свої переваги і недоліки Розглянемо ємнісні сенсори Кілька слів про саме поняття «місткість» Електрична ємність визначається як здатність обєкта або поверхні зберігати електричний заряд і співвідноситься з фізичним розміром обєкта, ємність якого залежить і від його розташування щодо інших предметів У той час як у відкритому просторі одиночний обєкт буде мати одне значення ємності (соотносящееся з його фізичним розмірами), то в міру наближення до нього іншого обєкта це значення ємності буде зростати У 99% випадків під ємністю мається на увазі взаємна ємність між двома сусідніми обєктами, які відокремлені один від одного повітрям / вакуумом Ця форма ємності набагато важливіша і зазвичай домінує над простою ємністю у вільному просторі Кожен обєкт має здатність для зберігання заряду по відношенню до іншого обєкта за умови, що вони не зєднані один з одним чимось добре проводять електрику (інакше заряд миттєво б перерозподілився між обєктами)

Величина ємності між двома обєктами назад пропорційно відстані між ними і прямо пропорційна їх геометричних розмірах Наявність проміжної субстанції між двома обєктами також сильно впливає на величину взаємної ємності в якості чисельної оцінки виступає діелектрична проникність матеріалу Чим більше її значення, тим більше заряду можна «запасти» між обєктами Вакуум (і в більшості випадків – повітря) має значення діелектричної проникності 1, різні пластики-від 2 до 5, звичайне скло – близько 8, чиста вода – 80, деякі керамічні матеріали – до 100 Будь ємнісний сенсорний перемикач має «плаваючу» власну фонову ємність, якій відповідає певний рівень вихідного сигналу При торканні сенсора ця ємність змінюється, наводячи до зміни вихідного сигналу Якщо воно перевищує деякий встановлений поріг, то сенсор реєструє факт натискання клавіші Коли такий сенсор входить до складу носимого пристрою, то для забезпечення стійкої роботи доводиться вирішувати ряд додаткових проблем (під терміном «стійкість» будемо розуміти здатність датчика надійно ідентифікувати факт натискання залежно від конструктивного і дизайнерського виконання приладової панелі, а також при різних зовнішніх умовах роботи)

Наприклад, пристрій може знаходитися відносно далеко від навколишніх предметів, а потім користувач має його поряд з компютером, стільниковим телефоном або іншим електронним обладнанням, яке випромінює непередбачувані (для сенсора) частотні компоненти при різних величинах напруженості поля Додамо сюди електростатичні розряди як потенційні джерела помилкових спрацьовувань, краплі і плівки води та інших забруднюючих речовин Для того щоб подолати ці та інші проблеми, наприклад температурний і часовий дрейф, мікросхеми сенсорних перемикачів часто мають вбудовані цифрові і аналогові підсистеми, які безперервно калібрують сенсор Шляхом періодичного визначення параметрів індивідуальних каналів і регулярної калібрування подібні технології допомагають створювати різноманітні клавіатури з незліченними поєднаннями форми і розмірів клавіш, враховувати різницю в геометрії та ємності пальців різних користувачів

Розглянемо безконтактний обємний датчик електричного поля (рис 126) На рис 127 для такого датчика наведена мікросхема МС33794, яка працює в діапазоні живлячих напруг від 9 до 18 В Вона має 9 висновків для підключення сенсорних електродів і 2 опорних входу для виміру зовнішньої еталонної ємності відомої величини (10 або 100 пФ) Дана калібрування необхідна для усунення впливу небажаних зовнішніх впливів – температури, зовнішнього електромагнітного поля та ін Сигнальні електроди збуджуються внутрішнім генератором низькочастотного синусоїдального сигналу з частотою 120 кГц

Рис 126 Принцип роботи обємного датчика:

1 – орган управління (палець) 2 – спотворення електричного поля 3 – мікросхема 4 – провідник із струмом (електрод)

5 – електричне поле одного електрода

6 – електричне поле всіх провідників

Рис 127 Схема включення мікросхемиМСЗ3794

Ця напруга прикладається до чутливих електродів через резистор, який утворює одну з половин дільника напруги Друга половина дільника утворюється сусідній «земляний» поверхнею і сенсорним електродом В якості електродів можуть використовуватися металеві пластини або металізовані ділянки поверхні Електроди можуть підключатися до мікросхеми МСЗ3794 як безпосередньо, так і за допомогою коаксіального кабелю Для компенсації ємнісних ефектів порушуваний електрод підключається до центральної жили кабелю Обшивка коаксіального кабелю приєднується до спеціального висновку Shield мікросхеми Завдяки тому, що цей висновок знаходиться під тим же напругою, що й висновок, до якого підключений сенсорний електрод Це усуває похибку, викликану власною ємністю коаксіального кабелю Додатковий висновок Shield DIS управляє подачею напруги на висновок Shield, що дозволяє здійснювати діагностику обриву в лінії електрода Низька частота для створення поля мінімізує проблеми електромагнітної сумісності У кожен момент часу тільки один електрод, заданий чотирма зовнішніми адресними входами, є джерелом генерованого слабкого електричного поля Решта сенсорні входи за допомогою внутрішнього мультиплексора зєднуються із загальним приводом Струм витоку між випромінюючим і заземленими електродами є інформаційним сигналом для внутрішньої вимірювальної ланцюга, яка перетворює його на сигнал постійного струму, а також виконує фільтрацію і нормалізацію вихідного сигналу в діапазоні напруг від 0 до 4 В Якщо в генерируемое поле помістити деякий обєкт, то ємність буде шунтировать вимірювальну ланцюг і детектується сигнал зміниться По зміні амплітуди детектіруемого сигналу можна судити про віддаленість обєкту від електрода

Схожий принцип виявлення обєкта по зміні електромагнітного поля – це вплив на нього ємності самого обєкта Прикладом служить кристал AD7142, що має 14 вимірювальних каналів, 32 контактні площадки і працюючий при напрузі живлення від 2,7 до 3,3 В (рис 128) Робота сенсора заснована на генерації сигналу прямокутної форми з частотою 240 кГц, який прикладений до одного з електродів Інтенсивність створюваного при цьому електричного поля вимірюється на сусідньому електроді за допомогою 16-розрядного сігма-дельта перетворювача в цифровий код (С DC)

Рис 128 Принцип роботи ємнісного сенсора

Цей перетворювач в мікросхемі єдиний: вхідні сигнали від електродів-приймачів послідовно комутуються на його вхід Функціональна схема аналого-цифрового перетворювача для ємнісного сенсора представлена ​​на рис 129 Присутність пальця або іншого провідного предмета шунтирует власну ємність відповідної клавіші, змушуючи вихідний код CDC змінюватися Коли це зміна перевищує програмно встановлений поріг спрацьовування, сенсор реагує натискання клавіші Кожен з каналів перетворення AD7142 має свій власний регістр результату, зчитуваний зовнішнім процесором по послідовному інтерфейсу Тип інтерфейсу (SPI або /2 С) визначається модифікацією мікросхеми, її хост-процесор зчитує сигнал з виходу АЦП через послідовний інтерфейс Наявність стандартного послідовного інтерфейсу і ліній переривання дозволяє легко сполучати ці АЦП з мікроконтролера Мікросхема містить 14 ємнісних входів, які можуть сполучатися з кнопками, мірними лінійками або дисками Зовнішні електроди ІМС розташовані на двох-або чотиришаровій друкованій платі Програмуванням вбудованого в АЦП регістра, його входи встановлюються в будь-яке необхідне стан, усереднюються вихідні дані і регулюється зміщення нуля, є можливість управління черговістю опитування ємнісних сенсорів Блок синтезатора на кристалі підтримує до 12 стадій перетворення на вимірювальну послідовність, тому можна оптимізувати продуктивність роботи і енергоспоживання мікросхеми шляхом балансу між кількістю перетворень і частотою дискретизації CDC Рекомендується встановлювати загальний час вимірювальної послідовності від 35 до 40 мілісекунд

Внутрішня процедура калібрування на кристалі виконується після кожної вимірювальної послідовності прозоро для користувача .

Рис 129 Функціональна схема аналого-цифрового перетворювача

для ємнісного сенсора

Це необхідно для визначення змін у власній ємності сенсора, що дозволяє виключити вплив на результат перетворення таких впливів зовнішнього середовища, як температура, вологість і ін Програмовані регістри дозволяють підлаштовувати час затримки калібрування для режимів роботи мікросхеми на повній і зниженої потужності, що реалізує захист проти зависання пальця користувача на кнопці на тривалий час, забороняючи тим самим процес калібрування Що залишаються на панелі волога і жирова плівка від пальця користувача теж можуть створювати ефект зависання, тому форсування калібрування допомагає сенсору підтримувати оптимальну продуктивність визначення А/97142 має програмований адаптивний поріг спрацьовування і алгоритм управління чутливістю, що дозволяє кінцевому виробу працювати в руках у користувачів з різними розмірами пальців За рахунок автоматичної постійної калібрування AD1142 забезпечує високу стійкість роботи в мінливих зовнішніх умовах (температура, вологість), які можуть з часом погіршити параметри ємнісного сенсора Маючи 14 входів, мікросхема може бути запрограмована для роботи з різними конфігураціями датчиків AD7142 може працювати в режимах повної і зниженої потужності і в сплячому режимі В основному режимі (повної потужності) кристал безперервно здійснює перетворення і авто калібрування з постійним темпом Режим зниженої потужності дозволяє програмно вибирати різні значення частоти оновлення сигналу на виході і, відповідно, різні рівні енергоспоживання Наприклад, частота вимірювальних послідовностей може бути знижена до 1 разу на 400 мс до тих пір, поки не визначиться новий факт натискання клавіші, після чого кристал повертається до рекомендованої виробником послідовності в 40 мс Для наведених значень часу режим зниженої потужності знижує струм загального енергоспоживання приблизно в 20 разів У сплячому режимі струм спокою знижується до 2 мкА

АЦП мікросхеми включають логічні вузли і оперативну память на 528 слів, що дозволяє коректувати роботу перетворювача при зміні умов навколишнього середовища Зміна вологості, температури та інших факторів навколишнього середовища впливає на роботу ємнісних сенсорів, тому під час експлуатації АЦП необхідно періодично калібрувати, щоб зменшити вплив зовнішніх факторів на результат перетворення, крім цього передбачена можливість управління чутливістю ємнісних сенсорів залежно від сили торкання (мякого або жорсткого) Незалежна установка порогу активації кожного ємнісного сенсора істотна, якщо керуючі елементи мають різні габарити, наприклад, можуть бути використані одночасно кнопки діаметром 5 і 10 мм Якщо діаметр кнопки менше, необхідно більше зусилля для активації сенсора Для усунення цього недоліку поріг чутливості кожного сенсора регулюється автономно з урахуванням розмірів елемента керування Діаграми, наведені на рис 130, демонструють цю функцію Перетворювачі мікросхеми безперервно вимірюють величину ємності на вході Якщо сенсор не активований, рівень ємності запамятовується як початковий, що залежить від стану зовнішнього середовища Якщо користувач стосується сенсора, вимірювана величина ємності збільшується або зменшується Порогове значення ємності також зберігається у вбудованому регістрі Якщо величина ємності сенсора вийде за порогове значення, сенсор перейде в активний стан (рис 130, а), що підтверджується сигналом переривання Початкова величина ємності змінюється у звязку з зміною вологості і температури навколишнього середовища Якщо відбувається істотна зміна початкової величини ємності, то сенсор активується Як показано на рис 130, б, через зміни початкової величини ємності другий сенсор в момент торкання не переходить в активну стан Вбудовані логічні ланцюги дозволяють зменшити вплив зміни зовнішніх факторів Як видно з рис 130, в, значення порогових рівнів можуть змінюватися, якщо змінюється початкове значення вхідний ємності сенсора Це дозволяє при торканні активувати сенсор в умовах зміни зовнішніх факторів Рівні порогів автоматично адаптуються, забезпечуючи надійне спрацьовування сенсора Коди цих рівнів зберігаються у вбудованій оперативної памяті Зовнішній вплив з боку користувача або хост-процесора не потрібно

Розглянемо конструктивні конфігурації чутливих елементів сенсорів (рис 131) Він може мати будь-яке число доріжок різної форми і розмірів Кнопки (рис 131, а, б), диски (рис 131, г), керуючі лінійки і повзунки (рис 131, д), сенсорні клавіатури або панелі (рис 131, е) на 128 положень знаходяться над сенсорними чутливими елементами, які розташовані на друкованій платі Опитування всіх сенсорів здійснюється в циклічному режимі за 36 мс

Рис 7 Діаграма роботи перетворювача ємності в код в умовах зміни параметрів навколишнього середовища

Рис 6 Конфігурації провідників на поверхні друкованої плати для деяких ємнісних сенсорів

Іншим підходом створення ємнісних сенсорів є технологія переносу заряду – QT QT-сенсор являє собою спеціалізований мікроконтролер, який запрограмований на заряд чутливої ​​поверхні невідомої ємності до відомого потенціалу з наступним виміром перенесеного заряду Чутлива поверхня може бути будь-який – від майданчика на друкованій платі до оптично прозорого ділянки In-SnO на поверхні сенсорного дисплея Вимірюючи заряд цієї поверхні після одного або декількох циклів заряд-перенесення, мікроконтролер визначає ємність чутливої ​​поверхні При певному алгоритмі проходження циклів заряд-вимір і ва-

РИАЦ їх тривалості гарантується надійне визначення торкання У сенсорах, що виготовляються, наприклад компанією Quantum, використовується частоту зондування близько 100 кГц і більше Вони постійно вимірюють власну ємність обєкта, і приймають це виміряне значення як тару, а потім стежать за дуже маленькими змінами у вимірюваному сигналі, які викликаються присутністю поблизу сенсора іншого обєкта Такий підхід дозволяє системі автоматично відбудовуватися від значних величин власної ємності сенсорної панелі, а це надає можливість перетворювати майже будь-який предмет в сенсор Розглянуті сенсори можуть розрізняти обєкти через скло товщиною до 50 мм або через шар інших матеріалів, товщина яких визначається значенням діелектричної проникності Для того щоб убезпечити систему від помилкових спрацьовувань через миттєвих ненавмисних торкань, випадкового наближення обєкта, електростатичних зарядів і пр, в мікросхемах цих сенсорів апаратно реалізована мажоритарна система голосування, яка аналізує кількість успішних вибірок перед прийняттям рішення про совершившемся натисканні, працюючи як протіводребезговий фільтр Обробні події процедури реалізують придушення натискань сусідніх клавіш і итерационную калібрування сенсора Мається схема автоматичної компенсації дрейфу, що необхідно для надійного розпізнавання натискання, коли коливання температури на поверхні управління можуть досягати значних значень Алгоритм періодично оцінює рівень базового сигналу від кожного входу Коли ніхто не торкається до сенсорів, підлаштовуючи рівень визначення так, щоб забезпечити постійну чутливість Залежно від типу мікросхеми розробники встановлюють необхідний рівень спрацьовування, використовуючи опорні конденсатори або програмуючи внутрішні регістри

Прикладом може служити кристал QTl 18Н для побудови одиночній сенсорної клавіші, яка відчуває дотик пальця через товсте скло Він споживає при цьому приблизно 12 мкА від джерела живлення 3,3 В Мікросхема містить 14-розрядний ФЦП на конденсаторах, Послідовно формуються імпульси накачування, і вимірюється рівень заряду сенсора, що забезпечує калібрування на льоту. Єдиний зовн-ний компонент (конденсатор) визначає чутливість пристрою, тривалість циклу переносу заряду становить 2 мкс, тривалість вимірювального пакета – від 0,5 до 7 мс Типове час між пакетами встановлено як 95 мс Але так як вбудовані алгоритми розпізнавання вимагають як мінімум чотирьох безперервно наступних один за одним активних вимірювальних вибірок для реєстрації натиснення клавіші, то після початкового визначення факту натискання мікросхема зменшує час між вибірками до 2 мс Це зроблено для того, щоб не збільшувати середній час відгуку більше 95 мс Для контролю працездатності мікросхеми вона постійно виробляє спеціальний сигнал HertBeat тривалістю 350 мкс

Іншим прикладом може служити мікросхема QT511, призначена для реалізації кільцевих секторних панелей і слайдерів Вона використовує трьохелектродні секційні майданчики для формування області, чутливої до торкання (рис 134)

Рис 134 Приклади кільцевих сенсорних майданчиків

Інтерполююча логіка на кристалі забезпечує дозвіл до 128 точок Три опорних конденсатора, значення ємності, яких залежать від товщини і діелектричних властивостей матеріалу панелі, визначають чутливість сенсора Вихідні дані зчитуються з мікросхеми по інтерфейсу SPI Зовнішній мікроконтролер встановлює режим роботи QT511

У однин з варіантів створення ємнісних сенсорів покладені програмовані системи PSoC (кристал С78С21х34 і С78С24х94 марки CapSense) По суті, він є мікроконтролером для спільної обробки аналогових і цифрових сигналів Ці мікросхеми відрізняються тим, що мають центральне процесорний ядро ​​М & С Ядро обрамляється конфігуруються цифровими і аналоговими блоки, в яких можна міняти параметри У загальному вигляді цифровий блок в PSoC являє собою кінцевий автомат, на базі якого можна створювати різні функціональні вузли (UART, SPI, таймер, PWM і т д) Аналогічним чином технологія PSoC підтримує аналогові функціональні блоки, які включають в себе операційні підсилювачі, компаратори, масиви резисторів, а також блоки на конденсаторах,, що дозволяє будувати блоки фільтрів, АЦП і ЦАП Кожен модуль PSoC має власний Data Sheet з електричними параметрами і стратегією розробки проекту Засіб розводки проекту, що входить в програмний пакет PSoC Designer, забезпечує візуалізацію необхідних сполук Середа розробки PSoC Designer також забезпечує драйвери і функції API, що включають установку регістрів і функції виклику на мові Ci або асемблері Процессорное ядра PSoC дозволяє працювати з самими різними типами сенсорів – від одиночних клавіш до кругових слайдерів і сенсорних панелей Тільки частина мікросхеми PSoC потрібна для підтримки технології CapSense, решта аналогові і цифрові ресурси кристала можуть використовуватися за іншим призначенням – управляти світлодіодами, двигунами, реле, джерелами звукового сигналу і т п

В основу рішення технології CapSense покладено релаксаційний генератор, який складається з джерела струму, чувствующей ємності невідомого заздалегідь значення, компаратора та розряджати ключа (рис 135) Ємність між чутливим електродом і загальним проводом є Времязадающій елементом в генераторі пилкоподібної напруги Джерело постійного струму заряджає конденсатор доти, поки напруга на ньому не досягає порогового рівня Спрацьовує компаратор, замикається ключ і конденсатор розряджається Після цього весь цикл повторюється Цей процес створює Пікоподібне напруга, тактується модуль ШІМ (8-bit PWM), який у свою чергу забороняє роботу 16 – бітного таймера Оскільки струм заряду і величина ємності визначають частоту генерації, пристрій за такою схемою відчуває наближення ємності стороннього проводить обєкта, наприклад, пальця користувача Коли палець підноситься до чутливого електроду, взаємна ємність збільшується, і, отже, потрібно більше часу для її заряду Це викликає подовження тимчасового імпульсу блоку ШІМ, а значить, збільшується і кількість імпульсів основний тактової частоти, які вважає 16-бітний таймер Якщо результати підрахунку при переході від одного імпульсу до іншого змінюються більше, ніж на величину заздалегідь встановленого порогу, то реєструється присутність проводить обєкта

Рис 135 Принципове побудова сенсора за технологією CapSense

Технологія CapSense програмним забезпеченням, використовуючи функції API, дозволяє компенсувати різні дрейфові зовнішні дії:

– періодичним запуском коригуючого алгоритму оновлюється конфігураційний регістр кожного електрода

– установкою як порога шуму, так і рівня спрацьовування сенсора, дозволяє чинній програмі підлаштовувати роботу системи, що відчуває на собі чотири зміни зовнішніх умов

– здійсненням балансу енергоспоживання пристрою і чутливості визначати натискання шляхом налаштування на конкретний тип і конфігурацію сенсорної панелі, включаючи покриття різними матеріалами

– використанням слайдерів, наприклад, забезпечується високий рівень функціональності кінцевого дизайну і значно більш високий дозвіл в порівнянні з набором окремих сенсорних клавіш Збільшення дозволу досягається шляхом програмної інтерполяції Зміна ємності при торканні визначається на всіх чутливих елементах слайдера, а значення ємності на сусідніх елементах використовуються для визначення позиції

Більша разрешенея або збільшення розмірів слайдера досягається шляхом діплексірованія висновків (рис 136) Кожен вхід CapSense PSoC одночасно приєднується до двох чутливим елементам Ці пари чутливих елементів розміщені в певному геометричному порядку один щодо одного по довжині слайдера, що виключає помилки у визначенні, яка зі сторін слайдера зараз є активною Програмний алгоритм, що викликається в якості ПР /-функції, визначає випадкові викиди і місце торкання

Рис 136 Діплексірованіе для лінійного слайдера

Використання елементної бази технології CAP Sense передбачає застосування відповідних налагоджувальних комплексів Прикладом може служити відладочний набір, в якому розташована мікросхема сенсора С78С21001, джерело живлення 5 В, пьезоізлучатель і чутливі області для 7 кнопок і лінійного слайдера Кристал С78С21001 емулює всі мікросхеми CAP Sense PSoC За допомогою штирьових розємів забезпечується доступ до порту /2 З мікросхеми та лініях для внутрісхемного програмування До Отладочная набору додається програма Mini Prog разом з mini-USB кабелем для звязку із зовнішнім компютером Відображення статусу системи виконується дворядним 16 – символьним РКІ Через додатковий розєм RJ-45 можна підключити зовнішній внутрісхемний емулятор ICE-Cube

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р