Емкостные сенсорные решения (клавиши, слайдеры, клавиатуры, тачпады) имеют множество преимуществ перед традиционными механическими аналогами. Они отличаются практически неограниченным сроком службы, так как в них отсутствуют механические подвижные части. С их помощью легко создать защищенные приборы с высоким рейтингом IP. Однако разработка емкостных сенсорных приложений – это достаточно сложный процесс, требующий реализации сложной аппаратной и программной части. Эти проблемы можно обойти, если использовать готовые решения, как, например, модульные тачпады от компании Azoteq (Рис. 1).
 |
|
| Рис. 1. | Azoteq – сенсорные решения для потребительской и промышленной электроники. |
В самом простом случае емкостной датчик представляет собой чувствительный электрод, емкость которого определяется с помощью специальной микросхемы. При появлении внешних объектов, емкость электрода меняется. Чем ближе объект, тем больше емкость. Эти изменения фиксируются измерительной микросхемой.
Сама измерительная микросхема использует преобразование емкость-время. Для этого в ее состав входит драйвер и таймер. Драйвер периодически заряжает и разряжает емкость чувствительного электрода, а таймер фиксирует время заряда. Если время заряда увеличивается, значит, емкость растет, и объект приближается. Если время заряда снижается, значит, емкость уменьшается, и объект удаляется.
По такому принципу построены самые разнообразные емкостные сенсоры: датчики приближения, сенсорные клавиши и клавиатуры, слайдеры, сенсорные экраны, тачпады.
К сожалению, создать даже простейшую емкостную кнопку на печатной плате не так-то просто! Ведь необходимо обеспечить высокую чувствительность и в то же время защиту от помех, поэтому потребуется изрядно потрудиться над топологией печатной платы. Если речь идет о разработке клавиатуры с множеством клавиш, то задача еще усложнится. В этом случае нельзя допускать взаимного влияния отдельных каналов. Кроме того, может потребоваться и микроконтроллер, а значит и программное обеспечение.
Еще более сложными устройствами оказываются емкостные тачпады. По сути, тачпад – это матрица множества индивидуальных емкостных датчиков с мультиплексированными драйверами заряда и разряда. Разрешение тачпадов достигает тысяч точек! Создать такую систему электродов и защититься от помех достаточно сложно.
Не стоит забывать и о том, что от современных тачпадов требуется не только распознавать касания, но и множество других жестов: касание двумя пальцами, перемещения одним и двумя пальцами, жесты масштабирования и т.д. (Рис. 2).
 |
|
| Рис. 2. | Типовые жесты, распознаваемые сенсорными тачпадами. |
Таким образом, чтобы создать работоспособный тачпад, потребуется много времени и сил. Однако есть возможность обойти эту проблему – воспользоваться готовыми модульными тачпадами от Azoteq (Рис. 3).
 |
|
| Рис. 3. | Сенсорные клавиатуры Azoteq. |
Azoteq предлагает полностью законченные модульные тачпады различной формы и с различными коммуникационными интерфейсами:
- круглые, овальные, квадратные с GPIO-интерфесом;
- квадратные с I2C-интерфейсом.
Конструктивно модульные тачпады Azoteq представляют собой печатную плату. С одной стороны у нее расположена матрица чувствительных печатных электродов, а с другой - управляющая микросхема и остальные электронные компоненты (Рис. 4).
 |
|
| Рис. 4. | Внешний вид сенсорной клавиатуры TPR-54. |
На стороне электродов нанесен клеящий слой, защищенный пленкой (Рис. 5). Для монтажа модуля достаточно удалить эту пленку и приклеить тачпад на панель. Очевидно, что для правильной работы толщина панели должна быть одинаковой.
 |
|
| Рис. 5. | Защита клейкого слоя сенсорных клавиатур. |
Для подключения внешнего контроллера используются контактные площадки под пайку либо FPC разъем для плоского шлейфа. При этом для связи используются два интерфейса: GPIO или I2C.
Тачпады с GPIO-интерфейсом. Эти модели имеют пять информационных выводов IO_1…IO_5 для индикации состояния модуля. Например, если модуль обнаружил одиночное касание, то на выводе IO_2 формируется импульс 200 мс. Или если зафиксировано перемещение положения пальца вверх, то импульс 200 мс появится на выводе IO_1. Аналогично формируются импульсы или группы импульсов для всех видов распознаваемых жестов:
- перетаскивание (влево, вправо, вверх, вниз);
- перетаскивание с удержанием;
- касания одним пальцем;
- касания с удержанием.
Группа тачпадов с GPIO-интерфейсом объединяет в себе представителей с различной формой печатной платы.
TPR40-P – круглый 40 мм тачпад с разрешением 1792×1792.
TPR40-V – круглый 40 мм тачпад с разрешением 1024×1024.
TPR48-P – круглый 48 мм тачпад с разрешением 1792×1792.
TPR48-V – круглый 48 мм тачпад с разрешением 1024×1024.
TPR54-P – круглый 54 мм тачпад с разрешением 1792×1792.
TPE48-P – овальный 40 мм тачпад с разрешением 1792×1792.
TPE60-P – овальный 60 мм тачпад с разрешением 1792×1792.
TPS48-P – квадратный 48 мм тачпад с разрешением 1792×1792.
Версии с литерой P– модели с увеличенным разрешением 1792×1792, у них в качестве материала печатной платы выступает стандартный FR4. Для бюджетных моделей с литерой V применяется CEM-1 (ламинат на бумажной основе с одним слоем стеклоткани), а разрешение составляет 1024×1024.
Тачпады с I2С-интерфейсом. Такие модули используют последовательный интерфейс I2C и имеют возможность глубокой настройки параметров. Кроме того у них есть и дополнительные преимущества: более высокое разрешение и расширенный перечень распознаваемых жестов. Они способны определять касание двумя пальцами, перетаскивание двумя пальцами и жесты масштабирования.
Сейчас существует две модели I2C-тачпадов.
TPS43-P – квадратный 48 мм тачпад с разрешением 2048×1792.
TPS65 – квадратный 65 мм тачпад с разрешением 3584×2304.
Стоит отметить, что наименование каждой модели дополнительно содержит версию аппаратной (xx) и программной части (y): TPR40-Pxxy. Например, TPR40-P101.
Наличие готового решения экономит огромное количество времени, а это позволяет максимально быстро вывести устройство на рынок. Готовые модули тачпадов уже нашли свое применение в самых различных приложениях:
- Bluetooth–устройства;
- пульты дистанционного управления;
- панели управления бытовой электроникой;
- промышленные пульты управления;
- измерительное оборудование.
Характеристики тачпадов Azoteq:
- модели круглой формы: TPR40-P (40 мм), TPR40-V (40 мм), TPR48-P (48 мм), TPR48-V (48 мм), TPR54-P (54 мм);
- модели овальной формы: TPE48-P (48 мм), TPE60-P (60 мм);
- модели квадратной формы: TPS43-P (43 мм), TPS48-P (48 мм), TPS65 (65 мм);
- разрешение: до 1792×1792 (тачпады с GPIO-интерфейсом) и до 3584×2304 (тачпады с I2C-интерфейсом);
- частота опроса: 170 Гц;
- интерфейс связи: GPIO (TPR40, TPR48, TPR54, TPE48, TPE60, TPS43), I2C (TPS48, TPS65);
- распознаваемые жесты: перетаскивание (влево, вправо, вверх, вниз), перетаскивание с удержанием, касания, касания с удержанием;
- дополнительные жесты (только для I2C-тачпадов): касание двумя пальцами, перетаскивание двумя пальцами, жесты масштабирования;
- ток потребления в активном режиме: 4 мА;
- ток потребления в спящем режиме: 35 мкА;
- защита от статики: ±2 кВ (Human body model);
- напряжение питания: 1.65–3.6 В;
- диапазон рабочих температур: от –40 до +85 °C.
О компании
Azoteq (Pty) Ltd – один из лидеров в области создания сенсорных решений (клавиш, клавиатур, полос прокрутки, сенсорных экранов и т.д.) для потребительской и промышленной электроники. Продуктами компании являются не только микросхемы, но и готовые емкостные сенсорные тачпады различной формы и размеров. На счету компании широкий спектр запатентованных технологий и торговых марок: IQ Switch®, ProxSense®, LightSenseTM, AirButton®, DYCALTMTM.
Посмотреть подробные характеристики модулей емкостных Тачпадов компании Azoteq
