FőoldalKonstruktőrKapacitív érintésvezérlés
2019. május 31., péntek ::

Kapacitív érintésvezérlés

Az okostelefonok és a tabletek elterjedése mindenki számára magától értetődővé és megszokottá tette az érintésvezérlést, ami az elektronika egyre több területén készteti a fejlesztőket a mechanikus felhasználói interfészek (kapcsolók, nyomógombok) elektronikus változattal való kiváltására, így kerülve el a kopásból, anyagfáradásból eredő meghibásodásokat és kihasználva a technológia által nyújtott innovatív gesztusvezérlésben rejlő lehetőségeket. Távirányítókban, háztartási gépekben, kaputelefonokban, szórakoztatóelektronikában mind gyakrabban találkozunk ilyen ember-gép interfészmegoldásokkal, melyek a kapacitív érintésvezérlés-technológia segítségével egyszerűen megvalósíthatók. További előnye ennek a technológiának a készülék számára a környezeti hatásokkal (víz, por stb.) szembeni magasabb ellenállóság biztosítása, hiszen általában nincs szükség a készülékház megbontására. Cikkünkben áttekintjük a kapacitív érintés- és közelítésérzékelés fizikai alapjait és megvalósítási lehetőségeit

Általánosan felfedezhető trend, hogy a mikrokontroller-gyártók manapság felruházzák eszközeiket alapszíntő érintésvezérlési funkciókkal, melyek lehetővé teszik különáramkörök illesztése nélkül az egyszerű érintőgombok, alap-gesztusvezérlés integrálását a végtermékbe. Ezek a megoldások általában tökéletesen alkalmasak arra, hogy a mechanikus kapcsolókat, forgógombokat és csúszkákat korszerű kapacitív érintésvezérlésre cserélje a konstruktőr, azonban pontos pozicionálást igénylő feladatokra, illetve extrém elvárások (fán, vastag üvegen keresztüli vezérlés) esetén már erre a célra fejlesztett professzionálisabb megoldások alkalmazása kívánatos. Ilyen use-case például a számítógépek vagy távvezérlők érintőpadja, a korszerű sütők, konyhai gépek kezelőszervei vagy a bútorba integrált érintőkapcsolók világa.
Ezekre a feladatokra kiválóan alkalmazható, nagy érzékenységű innovatív megoldást nyújt az Azoteq cég, melynek szabadalmait neves mikrokontroller-gyártók is alkalmazzák.

A kapacitív érzékelés alapjai

A kapacitív szenzorok olyan vezetőfelületek, melyek kapacitása az emberi test, kéz vagy ujj közelítésének, érintésének hatására megváltozik. Ez a kapacitás lehet két mérőelektróda közötti kölcsönös kapacitás, vagy egy elektróda és a föld közötti saját kapacitás.

endrich 19 4 01

A bekövetkező kapacitásváltozás mértéke nagyon kicsi, érintés esetén 10 pF, közvetlen közelség esetén 1 pF, közelítés esetén mindössze 0,05–0,1 pF nagyságrendbe esik, melynek detektálására vagy egy mikrokontroller A/D konverterét és megfelelő szoftverkönyvtárat vagy dedikált érintésvezőt használhatunk. Az érzékelésben használt módszerek a következők lehetnek:

  • RC érzékelési elv (RC acquisition principle)
    A kapacitás adott ellenálláson keresztül történő töltési és kisütési idejének változásán alapul. Amikor az elektródát megérintik, ez az idő megnő, és a változás mérése alkalmas az érintés detektálására. Mikrokontrollerek beépített érintésvezérlési funkcióinál sok esetben találkozhatunk ezzel az elvvel, szoftveres úton történő idő, és feszültségmérés (GPIO A/D konverter) szükséges hozzá.
  • Töltésátviteli-érzékelési elv (Charge transfer acquisition principle)
    A szenzorkapacitásban tárolt töltés egy detektáló kondenzátorba való impulzusszerű átvitelén alapuló módszer. A mintavételező ellenállás feszültségének egy adott határértékre emelkedéséhez szükséges töltésátviteli periódusok számából következtethetünk az elektróda kapacitására. Amikor az elektródát megérintik, annak kapacitása nő, nagyobb töltés tárolására lesz képes, ezáltal kevesebb töltési ciklus szükséges a mintavételező kondenzátor adott feszültségre való töltéséhez. Ez a módszer szintén elterjedt mikrokontrollerbe integrált érintésvezérlések esetén, ahol feszültségmérésre a kontroller analóg GPIO (A/D konverter) bemeneteit használhatjuk.
  • ProxSense™ – saját kapacitásmérési elv (Surface ProxSense™ acquisition principle)
    Működési elvét tekintve megegyezik az előző módszerrel, de a teljes érzékelést dedikált hardver végzi, ami különlegesen nagy érzékenység elérését teszi lehetővé.
  • ProxSense™ – kölcsönös kapacitásmérési elv (Projected ProxSense™ acquisition principle)
    A módszer egy meghajtott és egy vevőelektróda közötti kapacitásban tárolt töltés mérésén alapul, melyet a töltéstranszfer elvéhez hasonlóan itt is mintavételező kondenzátor segítségével detektálunk. A közelítő ujj változtatja az elektródák közötti szigetelés dielektromos állandóját, ezáltal csökkentve köztük a kapacitást. Az eredmény a mintavételező kondenzátor hosszabb töltési ideje (több töltési ciklus,) mely alkalmas az ujj jelenlétének detektálására.
    A ProxSense™ márkanév az Endrich által 2018-től képviselt dél-afrikai hightech vállalat, az Azoteq (Pty) Ltd tulajdona.

Egyszerű, RC-elvű érintésérzékelés mikrokontrollerrel

endrich 19 4 02

A legegyszerűbb, RC-elvű érintőgomb-megoldást mikrokontrollerrel és szoftveres időméréssel lehet megvalósítani. Amikor nem érintjük meg az elektródát, akkor annak kapacitása állandó (Cx), az R-C tag beállított határfeszültségre való feltöltődéséhez szükséges idő t1. Ujj érintésekor a CT kapacitás párhuzamosan kapcsolódik az elektródakapacitáshoz, így az eredő kapacitásérték kb. 5 pF-dal megemelkedik (C = Cx + CT)), a határfeszültség eléréséhez szükséges töltési/kisülési idő t2 lesz. A mérés során a táplálás felfutásakor induló timer méri a töltési időt addig, amíg az érzékelőlábon a feszültség elér egy küszöbértéket. A mérés elvégzésére könnyen konfigurálható szoftverkönyvtárak állnak rendelkezésre. Az olcsó és egyszerű felépítés mellett a megoldás csak stabil földelés mellett üzembiztos.

endrich 19 4 03

Töltéstranszfer-elvű érintésérzékelés mikrokontrollerrel

Háromcsatornás, sajátkapacitás-mérési elvű kerék- és csúszkaérzékelők

A töltéstranszfer-elv lényege a fenti ábrán követhető nyomon. A mikrokontroller analóg GPIO-lábához kapcsolt érintőelektróda néhány 10 pF kapacitást képvisel (Cx – szenzorkapacitás). Az egyik kijelölt GPIO-hoz egy ennél több nagyságrenddel kisebb mintavételező kondenzátort kapcsolunk (Cs sampling kapacitás). A Cx kapacitás Vdd-re töltődik az SW1 bekapcsolásával, majd az ábrán látható logikai kapcsolók (SW5 és SW6) megfelelő szekvenciával való kapcsolásával töltésének egy része periodikusan átkerül a Cs kondenzátorba, melynek kimeneti feszültsége, melyet a GPIO port A/D átalakítóján keresztül a mikrokontroller mér, alapállapotban N ilyen ciklus után éri el a kijelölt határfeszültséget. Amennyiben a szenzor érintést érzékel, annak kapacitása megemelkedik, több töltést tárol, emiatt egységidő alatt több töltést is tud átáramoltatni a Cs kondenzátorba. Annak kimeneti feszültsége sokkal hamarabb (nHasonló elven működnek és egy fokkal magasabb integrálhatóságot biztosítanak a mikrokontrolleres rendszerek számára a kimondottan érintésérzékelési feladatra kifejlesztett célkontrollerek is, mint például a Holtek BS8xx-sorozata.
Ezek az eszközök már egy sor olyan funkcióval is rendelkeznek, amelyek nagyobb megbízhatósággal ruházzák fel az applikációt még nehezebb környezeti feltételek mellett is, minimalizálják az energiafogyasztást, és kis külső komponensigényű megoldást nyújtanak a host-mikrokonroller számára.
A sorozat fejlettebb tagjai soros kommunikációra is képesek, és dekódolt formában adják vissza az érintőgombok állapotjelzéseit. Ugyanezen az interfészen keresztül az MCU parancsokat is tud küldeni a touch kontroller számára, például kalibrálás során.

Háromcsatornás, sajátkapacitás-mérési elvű kerék- és csúszkaérzékelők

Azoteq ProxSense™ elvű érintésvezérlő kontrollerek

Magyarországon az Azoteq név nem tartozik az széleskörűen ismert márkanevek közé, bár az általuk 2004 óta folyamatosan fejlesztett kapacitív közelítés- és érintésérzékelő megoldások számos, itthon is kapható eszközben megtalálhatóak. ProxSense™ technológiájuk felhasználva a világon a legérzékenyebb érintésvezérlőket kínálják, amelyek képesek akár 100 atto Farad (10-16 F) kapacitásváltozás érzékelésére is, miközben a jel-zaj viszony 1000:1. Ez 100-szoros érzékenység és 30-szoros jel-zaj viszonynövekedést jelent a korábbi technológiákkal szemben.

Kétszintű érzékelés

Ez a különleges érzékenység az egyszerű érintőkapcsolóknál jóval összetettebb eszközök készítését teszi lehetővé. A legegyszerűbb egycsatornás, sajátkapacitás-érzékelőik is kétlépcsős érzékelésre alkalmasak.

endrich 19 4 06

Miközben közelítünk az elektródához, először a közelítésérkelő (Proximity Output Pin) jelez, ami például automatikus megvilágításra használható, majd az érintéskor egy másik kimenet (Touch Output Pin) aktiválódik, mely a kívánt vezérlést végzi. Többcsatornás változatokban a közelítésérzékelés használható a vezérlő, vagy akár az egész eszköz kis fogyasztású alvó állapotból való felélesztésére is, mivel az érzékelők felprogramozhatóak úgy, hogy csak a közelítésérzékelő csatorna működjön, ezáltal csökkentve a rendszer fogyasztását.

Simítókapcsoló (Swipe Switch)

Három érzékelőelektródát egymás mellé téve egyszerű gesztusvezérlőt tudunk megvalósítani, ami egy adott irányú simítást érzékelve kapcsol. Ez a működés kézben tartott eszközöknél is lehetővé teszi az érintésvezérlés megvalósítását, mivel az egyszerű tartást és a kétirányú simítást képes egymástól megkülönböztetni.

endrich 19 4 07

Kerék és csúszka: folyamatos vezérlés (Wheel and Slider)

A többcsatornás kapacitásmérésen alapuló ProxSense™ eszközök a folyamatos vezérlést is lehetővé teszik. Ha az érzékelők az ábrán látható módon helyezkednek el, az elektródákon érzékelt kapacitásváltozások arányából a vezérlőbe integrált mikrokontroller kiszámítja a kerékvagy csúszkapozíciót, amelynek abszolút értéke vagy változása numerikus értékkel kiolvasható.

Háromcsatornás, sajátkapacitás-mérési elvű kerék- és csúszkaérzékelők

Kétcsatornás, sajátkapacitás-mérési elvű kerék- és csúszkaérzékelők

Az ilyen eszközök széles körben használhatók funkcióválasztásra (pl. mosógépprogram) vagy folyamatos szabályzásra (hangerő, fényerő). Az Azoteq 3, 7, 9, 12, 16 vagy többcsatornás vezérlői rugalmasan programozhatóak, a csatornák feloszthatók diszkrét gombok, közelítésérzékelő, csúszkák és kör alakú érzékelőcsoportokra, melyek akár saját kapacitás, akár kölcsönös kapacitás elvén működhetnek.

Érintőbillentyűzet, érintőpad- és gesztuspadvezérlők (Keypad, Trackpad, Gesture pad)

A 7 ... 16 csatornás vezérlőkben megfelelő számú csatorna áll rendelkezésre billentyűzetvezérlő, illetve érintőpad- és gesztuspadvezérlő alkalmazásokhoz. Ha a vezérlő kölcsönöskapacitás-elven működik és az elektródák mátrixszerű mintázatban vannak elhelyezve, az érzékelési pontok száma a sorok és oszlopok szorzata. Az aktuális érintési pozíciókat a meghajtó (Tx) elektródák léptetésével és a vevő (Rx)-elektródák szkennelésével lehet letapogatni.

Érintőpad (trackpad)-érzékelő elrendezés

Az éritést végző emberi ujj felülete több szomszédos csatornára hat, a ProxSense eljárás nagy érzékenységéből adódóan az ezek közötti súlyozott átlagból az elektródasűrűségnél nagyobb érintési pontosság határozható meg, ami lépcsőzetességmentes mozdulatkövetést biztosít. A vezérlőkben egy- és kétujjas gesztusfelismerés működik, ami kiválóan használható kreatív mozdulatvezérléses felhasználói interfész megvalósítására, emellett egyes pozíciókba akár dedikált érintőgombokat is lehet helyezni.

z Azoteq vezérlői által azonosított gesztusok

endrich 19 4 12

Az Azoteq partnerei részére nemcsak a vezérlő IC-ket, hanem változatos alakú és tulajdonságú, professzionális gesztusérzékelő és touchpad modulokat is kínál, legyen szükség akár merev vagy hajlékony felületre, billentyűzetmintára, vagy az érzékelőbe integrált visszajelző fények beépítésére. Ugyancsak megtalálhatóak a választékban a kész érintőpadmodulok.

endrich 19 4 13

Érzékelés nagy vastagságú favagy üvegfelület mögött

Az Azoteq IC-k érzékenysége lehetővé teszi az akár 11 mm vastag szigetelőanyagon (fán vagy üvegen) keresztül történő érzékelést. Ez a képesség nagy felbontással és nagy pontossággal párosul. A bútorokba, háztartási gépekbe, igényes burkolatok vagy vastag üveg mögé rejtett kapacitív kapcsolók szükségtelenné teszik a díszburkolat felületének lyukakkal vagy kivágásokkal történő megszakítását.

endrich 19 4 14

Kapacitív érzékelés fémfelületen vagy vizes környezetben

Vezetőfelületen keresztül természetesen nem lehetséges kapacitív érzékelés, viszont lehetséges olyan struktúra létrehozása, ahol egy fémfelület minimális nyomás alkalmazásával bekövetkező alakváltozásával létrejövő kapacitásváltozás az érintésvezérléshez hasonló módon vezérlésre használható.
Ha az érzékelőelektródákat tartalmazó PCB elé egy vékony (0,13 mm), szilárd, kétoldalas ragasztóanyagot (szigetelőt), majd az elé egy vékony (<0,1 mm), rozsdamentes acéllemezt vagy egy, a belső oldalán vezetőpasztával bevont műanyag lemezt (<0,3 mm) ragasztunk, az elektródák és a lemez között kapacitás jön létre.

endrich 19 4 15

Ez a kapacitás minimális erő (<100 gramm="" hat="" s="" ra="" olyan="" m="" rt="" kben="" v="" ltozik="" meg="" hogy="" az="" biztosan="" detekt="" lhat="" azoteq="" integr="" lt="" ramk="" reivel="" ilyen="" rint="" fel="" letek="" vand="" lbiztos="" csapad="" knak="" kitett="" k="" rnyezetben="" is="" haszn="" ak="" r="" kaputelefonokban="" vagy="" zuhanykabinban="" val="" alkalmaz="" suk="" lehets="" ges="" p="">

endrich 19 4 16

Támogatás

Az érzékelőelektródák tervezése a fejlesztőmérnököktől nagy figyelmet és tapasztalatot kíván. Az Endrich céggel együttműködve Európában az Azoteq széles körben támogatja partnerei tervezési tevékenységét referenciadizájn, konzultáció vagy kész tervek véleményezése terén. A vezérlők között egyszer programozható és újraprogramozható változatok is szerepelnek. Az egyszeri költség és minimális darabonkénti árért cserébe az Azoteq az ügyfelei által tesztelt beállításokat beprogramozva tudja szállítani az áramköröket.
Az Endrich és az Azoteq 2018 óta működik együtt. Érdeklődő partnereinket kérjük, keressék az Endrich GmbH budapesti képviseletét!

Az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH honlapja

Tudomány / Alapkutatás

tudomany

CAD/CAM

cad

Járműelektronika

jarmuelektronika

Led technológia

Led technológia

Rendezvények / Kiállítások

Mostanában nincsenek események
Nincs megjeleníthető esemény