mTouch触摸解决方案具有良好的环境和使用适应性

发布时间:2010-10-9 21:54    发布者:conniede
关键词: MCU , mTouch , 触摸传感
作为传统按钮式用户界面的一种替代方案,触摸传感应用越来越多地用在自动售票机、查询机等机器上,可以提高可靠性并降低系统总成本。触摸传感还有助于实现完全密封和富于现代感的设计。

目前应用最广泛的是电容式触摸传感技术,Microchip Technology Inc.(美国微芯科技公司)在2008年推出的mTouch电感式触摸传感技术是对其电容式触摸传感解决方案是一种互补,其主要应用领域包括可能需要采用不锈钢面板的家电市场;需要技术上持久耐用性的工业市场;以及需要技术上有流线感又要减少意外接碰而引起触发的汽车市场。电感式触摸传感的基本工作原理是可以透过塑料、不锈钢或铝制的面板工作,即便是使用者戴着手套或面板上落上了液体,传感器依然可以正常工作。

利用这一新技术,设计人员可以在标准8位、16位或32位PIC单片机MCU)或16位dsPIC数字信号控制器(DSC)中利用其现有应用代码集成电感式触摸传感功能,进而降低系统总成本。

1 基本原理

该方案的工作原理是,当人手按压到面板上以后,面板会产生数十微米的弯曲,使面板向底层电路板上的刻蚀形成的线圈移动,在印刷电路板上的线圈电感式传感器就会检测到由于面板弯曲,导致的前面板与PCB板之间的磁通量的微小变化,进而引起的线圈中电流的微小变化,系统会由此判定产生了一次触摸。系统原理如图1所示。


2 电感式触摸传感方案的结构

整个电感式触摸传感系统由PIC微控制器、接口装置、电感式触摸传感器三部分组成,见图2。PIC MCU的PWM端口输出PWM波形到接口装置,接口将PWM波形转换成可用AC信号,驱动触摸传感器。然后,接口收到触摸传感器的相应信号,并转换成直流电压,送到PIC MCU上的ADC,由PIC MCU判定是否发生了触摸。


在PCB板表面刻蚀出的线圈构成了一个电感器。前面板充当触摸表面,同时也用作被用户按压的导电片。前面板由导磁或导电材料制作,例如不锈钢。如果采用木材或塑料,则需要在面板的下面粘贴上一个导电片。

线圈通电后,会在线圈周围产生电磁场,磁场强度与电流大小成正比。当用户的手指按压传感器时,前面板和导电片会向下面的线圈方向弯曲,使磁场发生变化,进而引起线圈周围电动势的变化,从而使电感器中流过的电流发生微小的变化。

将这种微小的电流变化经放大、AD转换,再由MCU判定是否发生了触摸。面板弯曲的最小数值是10μm,该数值取决于前面板的厚度和按键的直径。这个数值远在大多数金属材料的弹性范围内,因此用户用不着担心面板的安全和寿命问题。

Microchip提供的软件工具可帮助设计师确定特定应用所需的最小弯曲程度。

导电片的微小移动就会使线圈的电感量发生很大的变化,所以可以很灵敏地检测出手指的触摸。检测的灵敏度取决于空气腔的大小,以及前面板的坚硬程度。检测算法可在Microchip的网站下载。

电感式mTouch传感器采用了多层式的结构。最上面是前面板,也是用户可以触摸的,可以印上数字、操作符号等标识,下面是导电片层,再下面是垫层,最下面是刻蚀出电感线圈的印刷电路板,如图3所示。


有时候,也会用垫层分开导电片和线圈绕线,使面板能够弯曲。直接注塑成型的前面板可以不用垫层,因为在成型的时候会形成垫层。当使用垫层时,要在线圈上垫层部分开洞。垫层的材料可以是FR4、FR2、树脂粘合纸、ABS或其他塑料。垫层的厚度是孔洞直径的1%~3%。材料的来源可以很广泛,但必须是硬质和绝缘的。

有时候,也可以不用垫层和导电层。例如,用不导电材料注塑成型的前面板,在触摸区域下面留了凹槽,再在凹槽内贴上导电标签。

如果导电材料是铜、铝、黄铜或不锈钢,前面板也可以用做导电片。理论上,可以用任何导磁材料做。然而,从传感器的性能考虑,还是建议采用导电材料,这样还可以同时保持低成本。

由于该方案不依靠人体或场效应,在按键上施加的压力与物体的属性无关,使用者既可以直接用手指进行触发,也可以戴着手套进行操作,即便是盲人也可以操作。而且由于面板材料硬度很高,雨水、灰尘都不会引起面板的弯曲,因此不会误触发。

3 仿真模型


图4是电感式传感器的电模型。当传感器靠近导电片时,会通过一个小电阻与副边的电感器耦合。这个电阻以Rtarget表示,代表了在导电片中因涡流电流引起的能量损耗。基本上,这个模型可以看成是一个变压器。当对印刷电路板上的刻蚀线圈施加交流电时,在绕线周围会产生磁通。前面板的导电片会因导电材料产生的涡流电流,产生自己的磁通。由于线圈和导电片非常接近,会产生互感,互感是线圈和导电片之间距离的函数。从线圈或这个变压器模型的初级侧看进去的阻抗会发生变化,阻抗的变化会引起线圈中电流的变化,通过检测电流的变化就可以判定是否发生了触摸。

4 与电容式触摸方案的对比

电感式触摸传感与电容式触摸传感方案的对比情况见表1。


电感式触摸方案需要运算放大器和复用器,因此需要更大的功率和电流。在环境适应性上,电感式触摸方案略胜一筹,可以在潮湿、降雨、扬尘等环境下使用,也不会因触摸面上的液体引起误触发。而且,整个系统是密封的,可以使用不锈钢、铝、塑料等各种材料做外壳,设计出美观的造型。
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