Контроллеры сенсорных экранов с интерфейсом I²C

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2013

Digi-key

Сенсорные экраны (тачскрины), интегрированные в ЖК-дисплеи (обычно TFT) или являющиеся частью печатной платы, де-факто становятся неотъемлемой частью пользовательского интерфейса в современных портативных устройствах. Основанные, главным образом, на резистивной или емкостной технологии, эти прозрачные или непрозрачные поверхности заменяют механические кнопки и переключатели, обеспечивая пользователя дополнительными удобствами, далеко выходящими за рамки возможностей, предоставляемых простым нажатием кнопки.

Многими компаниями разрабатываются и выпускаются специализированные микросхемы контролеров сенсорных экранов. Основная задача контроллеров – разгрузить центральный процессор приложения и предоставить большую функциональность. Эти контроллеры могут увеличить стоимость конечной системы и требуют немного большей площади печатной платы, но зато они позволяют разработчикам значительно быстрее продвигать на рынок свои проекты, снабженные надежным и проверенным сенсорным интерфейсом.

В статье мы рассмотрим контроллеры сенсорных экранов с интерфейсом I²C.

По другую сторону подключения

Сегодня пользовательские интерфейсы далеко ушли от механических переключателей и замыкающихся контактов. Жесты для масштабирования и прокрутки изображения могут сделать больше, чем любая дискретная кнопка или переключатель. Круговые движения также заменили механический поворотный переключатель JOG, популярный в ранних моделях iPod. Слайдеры, в которых использовались аналоговые переменные резисторы, тоже заменяются сенсорной технологией.

Для реализации всех этих возможностей и гибкости сенсорных интерфейсов требуется бóльшая вычислительная мощность процессора, позволяющая обрабатывать, декодировать, подавлять дребезг и передавать намерения пользователя хост-процессору приложения. Это означает, что нужно либо выбирать более мощный (следовательно, более дорогой) процессор, либо использовать специализированный контроллер.

На использование в приложениях имеют право оба варианта. Современные микроконтроллеры и микропроцессоры, как правило, имеют высокую производительность и развитую периферию, включая аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, операционные усилители и компараторы, которые могут использоваться для реализации примитивного сенсорного интерфейса. Однако для оперативного определения и реагирования в реальном времени такой подход требует написания кода для хост-процессора, и так загруженного функциями приложения. Следовательно, понадобится больше встроенной Flash-памяти для хранения программного кода, больше блокнотной памяти и ОЗУ, что, в свою очередь, может потребовать приобретения более крупного и дорогого микроконтроллера.

Размер микроконтроллера, как правило, является основным ограничением для любого портативного устройства, поэтому крайне нежелателен сенсорный интерфейс, для поддержки которого требуется много линий ввода/вывода. Практика показывает, что чем меньше выводов микроконтроллера используется для выполнения функции, тем лучше был организован процесс конструирования. Именно по этой причине для подключения к микроконтроллеру сложных функциональных устройств используются последовательные интерфейсы, не расходующие драгоценных линий ввода/вывода.

I²C – достаточно простой, но эффективный, двухпроводной двунаправленный интерфейс обмена данными, позволяющий периферийным устройствам выполнять сложные функции, используя лишь две линии ввода/вывода хост-процессора. Этот интерфейс настолько прост, что при отсутствии в микроконтроллере встроенного аппаратного I²C порта легко может быть реализован на программном уровне.

Как вы можете ожидать, этот общепризнанный стандарт используется для обмена данными между специализированным контроллером сенсорного интерфейса и хост-микроконтроллером с использованием минимального количества линий ввода/вывода. Кроме того, стоит заметить, что многие контроллеры тачскринов являются специализированными процессорами или системами-на-кристалле (SoC). Это означает, что они оптимизированы для сенсорных интерфейсов, но могут выполнять и другие функции системы, дополнительно освобождая ресурсы центрального процессора.

Рассмотрим, к примеру, специализированный микроконтроллер CY8CTST200A-48LTXI компании Cypress, который фактически является программируемой системой-на-кристалле (PSoC). 8-разрядный прибор с ядром M8C и производительностью 4 MIPS, запрограммирован на выполнение функций контроллера сенсорного интерфейса (Рисунок 1). Микросхема, в которой используется запатентованная технология True Touch, содержит источники опорного напряжения, мультиплексоры, компараторы, таймеры и логику, необходимые для реализации различных алгоритмов определения касаний, таких как интегрирование положительного заряда, интегрирование отрицательного заряда, последовательное приближение, емкостной сигма-дельта алгоритм и вариации частоты осциллятора.

Рисунок 1.	Процессор, встроенный в контроллер Cypress True Touch, поддерживает многие алгоритмы работы с сенсорными интерфейсами и способен выполнять дополнительные периферийные функции. Обмен данными с хост-процессором ведется по шине I2C.

В дополнение к интерфейсу I²C контроллер снабжен портами USB, SPI и UART. Благодаря встроенной памяти (32 Кбайт Flash, 2 Кбайт ОЗУ) он может быть адаптирован под специфические требования сенсорного интерфейса. Скорее всего, для выполнения основного приложения мощности процессора не хватит, но он и не предназначен для этого. Прибор больше напоминает программируемый периферийный чип с встроенным микроконтроллером.

Еще один игрок на арене сенсорных устройств и интерфейсов – компания Atmel с технологией QTouch. В контроллере AT42QT1060-MMUQS39, например, предназначенном для применения в смартфонах и мобильных устройствах, интегрированы две необходимые функции: сенсорный интерфейс и ШИМ драйверы для управления светодиодами (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Помимо средств мониторинга сенсорных кнопок, контроллер Atmel QTouch содержит ШИМ-драйверы с поддержкой функции диммирования светодиодов. Контроль всех сенсорных функций и диммирования осуществляется по I2C.

Технология QTouch основана на цифровом пакетном переносе заряда для определения изменения емкости сенсорной кнопки. Для подавления радиочастотных излучений и снижения влияния внешних шумов используются пачки амплитудно-манипулированных сигналов с расширенным спектром. Одновременно это позволяет уменьшить влияние на чувствительные высокочастотные каскады, используемые в сотовых телефонах. Для оценки возможностей контроллеров и разработки приложений компания выпускает несколько отладочных и демонстрационных наборов и программную библиотеку функций поддержки сенсорного интерфейса (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Демонстрационная плата QTouch Xplained.

И слайдеры тоже

Компания IDT выпускает интересный контроллер LDS6000NQGI8, предназначенный для реализации сенсорных слайдеров и колец. Получившая название PureTouch технология, используемая в контроллере, основана на преобразовании емкости в цифровой код посредством работающего на частоте 500 кГц сигма-дельта конвертера и коммутационной матрицы (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Сигма-дельта преобразователь емкость-код и коммутационная матрица, встроенная в контроллер Pure Touch, позволяют использовать несколько сенсорных слайдеров, колец JOG и дискретные сенсорные площадки.

Важной особенностью контроллера LDS6000N является встроенная схем калибровки, постоянно оценивающая внешние шумы и изменяющая уровни порогов срабатывания. Наряду с интерфейсом I²C контроллер имеет порт SPI, который может использоваться в качестве последовательной линии связи с хост-микроконтроллером. Для выбора одного из двух интерфейсов используется специальный вывод.

Если приложению требуется более высокое разрешение и большее количество сенсорных входов, можете обратить внимание на созданный компанией STMicroelectronics контроллер сенсорной клавиатуры STMPE24M31QTR, основанный на технологии S-Touch. Прибор поддерживает до 24 сенсорных входов и может управлять слайдером или колесом с разрешением 256 шагов. Он содержит также 8 блоков ШИМ для управления 16 светодиодами с функциями диммирования и мигания. Интерфейс I²C работает на частоте 400 кГц, а все входные линии снабжены ESD защитой до 8 кВ. Микросхема имеет также 16 линий ввода/вывода общего назначения и предназначена, в первую очередь, для мобильных телефонов, портативных медиа-плееров, ноутбуков и игровых консолей.

Компания предлагает оценочный набор STEVAL-ICB003V1, содержащий 8 сенсорных кнопок, интерфейс энкодера и четыре семисегментных светодиодных индикатора (Рисунок 5). Кроме того, для детального ознакомления с решениями на основе емкостных сенсорных элементов компанией организовано онлайн обучение.

Рисунок 5.	Оценочный набор STMicroelectronics представляет собой решение для лицевой панели управления на основе технологии S-Touch.

Freescale также выпускает интересную микросхему для организации сенсорного интерфейса. MPR121QR2 – представитель второго поколения контроллеров, поддерживающий до 12 сенсорных кнопок. Отличительной особенностью MPR121QR2 являются встроенные схемы фильтрации и подавления дребезга, а также улучшенный механизм обнаружения изменений емкости.

Каждая выборка значения емкости сравнивается с базовым значением для определения статуса электрода (есть касание или нет касания). Базовая емкость отслеживается контроллером автоматически на основе изменения фоновой емкости.

Разработчик имеет возможность установить пороги срабатывания и время подавления «дребезга» при касаниях сенсора. Это необходимо для устранения джитера и ложных прикосновений из-за помех. Адрес контроллера на шине I²C конфигурируется, аппаратно что позволяет вести арбитраж устройств на шине. Как и другие компании, Freescale предлагает пользователям оценочные наборы и модули.

Заключение

Сенсорные технологии могут надежно заменить подверженные механическому износу механические кнопки и переключатели. Современные датчики касания могут конфигурироваться в виде простых слайдеров, колец и площадок, обеспечивая значительные преимущества для реализации интуитивного пользовательского интерфейса и дополнительные возможности для разработчиков, снижая, в тоже время, конечную стоимость системы. Контроллеры сенсорных экранов и кнопок с интерфейсом I²C снижают нагрузку на основной микроконтроллер приложения и могут выполнять дополнительные периферийные функции.