Емкостной переключатель работает благодаря определению изменения емкости печатной площадки, расположенной на печатной плате и зависящей от расположения пальца пользователя над чувствительной зоной. Емкостные переключатели находят все более широкое применение по причине их меньшей стоимости, по сравнению с механическими переключателями. Используя возможности микросхемы MAX IIZ CPLD (комплексная программируемая логическая микросхема) компании Altera, вы можете создать декодер сигнала сенсорного переключателя, не используя дополнительных внешних компонентов. Сенсорный датчик представляет собой чувствительную площадку на печатной плате диаметром 8 мм, покрытую слоем паяльной маски в качестве диэлектрика. Схема работает с одним датчиком, но используя данную методику вы можете обработать несколько переключателей, и они могут иметь различные программируемые пороги срабатывания, обеспечивая использование различной формы площадок на печатной плате и различных диэлектриков.
На рис. 1 приведена простая схема, не содержащая никаких дополнительных компонентов кроме выполненной на плате сенсорной кнопки. Стандартная реализация конструкции емкостного датчика на печатной плате приведена слева. Конструкция датчика состоит из 8 мм медного круга и окружающей его медной площадки соединенной с земляным потенциалом. Пунктирной линией показано, что центр датчика подключен к CPLD с помощью переходного отверстия и медной дорожки, проходящей с обратной стороны печатной платы. Паяльная маска служит диэлектриком, покрывая центр датчика и землю. Сенсорный датчик на печатной плате представляет собой переменный конденсатор, CTOUCH.
Данный переменный конденсатор является частью автогенератора. Микросхема CPLD имеет встроенный высокоомный подтягивающий резистор на каждой линии ввода-вывода. Емкость датчика CTOUCH и этот резистор образуют RC-цепочку. Если сигнал PINOSC (вывод генератора) в низком состоянии, то и вывод линии ввода-вывода тоже будет в низком состоянии, что обеспечивает низкий уровень D входа регистра PINOSC LPM (библиотеки параметризованных модулей). Данный блок LPM имеется в библиотеке LPM программы Quartus II.
Регистр и другие логические схемы используют автономный, 4,4 МГц встроенный генератор, ALTUFM генератор, как источник тактовой частоты. По переднему фронту тактового сигнала, сигнал PINOSC становится низким, обуславливая переход буфера управления выводом в третье состояние. Высокоомный подтягивающий резистор обеспечивает медленное нарастание напряжения на выводе в соответствии с постоянной времени RC-цепочки. Отсутствие касания сенсорного переключателя означает, что он имеет минимальную емкость и соответственно самое быстрое время нарастания сигнала на выводе. Прикосновение к переключателю изменяет его емкость на максимальную, и соответственно вызывает медленное нарастания сигнала. Буфер ввода сигнала использует триггер Шмидта, встроенный в CPLD, для уменьшения чувствительности к шумам при низкой скорости нарастания входного сигнала. Как только сигнал на входе достигнет порога высокого уровня, сигнал на входе D регистра PINOSC обнулится. По следующему фронту тактового сигнала, сигнал PINOSC станет низким, обеспечивая низкое напряжение на внешнем выводе в течении одного полного периода тактового сигнала. Данная схема PINOSC генерирует две основных частоты сигнала, в зависимости от состояния емкостного датчика прикосновений. Использование регистра микросхемы в цепи генерации, уменьшает шум, делает генерацию стабильной и синхронной с работой логики декодирования. Период сигнала PINOSC всегда кратен 1/4,4 МГц, частоте встроенного генератора микросхемы.
Декодер датчика подсчитывает период 16 циклов PINOSC и сравнивает его с заданным периодом. Если 16 и более циклов уложилось в заданный период, это означает, что прикосновения к датчику нет. Если же в этот период уложилось менее 16 циклов, это означает, что кто-то коснулся датчика, и частота генерации PINOSC понизилась. Нижний LPM-счетчик устанавливает период подсчета.
Например, в прототипе, (рис. 2), сигнал периода подсчета становился активным раз в 80 периодов тактовой частоты. Верхний LPM-счетчик измеряет период 16 периодов сигнала PINOSC. После 16-ти циклов, этот сигнал «FAST» становится высоким и остается в этом состоянии пока сигнал периода подсчета не сбросит его. В прототипе, сигнал «FAST» становится высоким в случае, если 16 периодов входной частоты истекут быстрее, чем 80 периодов тактовой частоты, и на момент появления сигнала периода подсчета сигнал «FAST» будет равен единице. Когда сигнал периода подсчета равен единице, значение сигнала «FAST» запоминается в тактируемом LPM регистре. Когда вы дотрагиваетесь до датчика, частота сигнала PINOSC снизится и когда сигнал периода подсчета равен единице, сигнал «FAST» остается в ноле, что приведет к записи в выходной регистр ноля. В конструкции прототипа, период PINOSC составлял три периода тактовой частоты без прикосновения к датчику, и девять периодов тактовой частоты, когда кто-нибудь касался датчика. Порог срабатывания переключателя был выбран равным пяти периодам. Таким образом, модуль счета для нижнего LPM-счетчика составлял 5×16 = 80. Вы можете использовать любую величину от четырех до восьми, но при использовании величины четыре периода, у конструкции слишком большая чувствительность, а при восьми, схема не обнаруживает касание маленькими пальцами, таким образом пять – это наиболее подходящая величина. Модуль счета верхнего LPM-счетчика ослабляет чувствительность к помехам. Чем больше модуль счета, тем больше длительность усреднения периода генерации. Небольшая величина модуля счета делает схему более чувствительной к случайным шумам в системе. Выбор порогового уровня, 5 периодов тактовой частоты, обеспечивает так же минимум ±25% отклонения параметров элементов встроенного генератора частоты.
