Rilevazione del tocco per R8C/33T

Questo articolo della Rubrica Firmware Reload parla della tecnica di rilevazione del tocco per il microcomputer R8C/33T. Questo chip integra una periferica hardware denominata SCU: Sensor Control Unit, che ha il compito di monitorare il contatto misurando la capacità generata tra l’elettrodo di tocco e il corpo umano.

Una breve introduzione

Approfondiamo meglio cosa viene definito come touch panel per il microcomputer R8C/33T, così sapremo cosa la Sensor Control Unit è in grado di gestire. In questo caso ci aiuta nell’operazione la Figura 1.

Figura 1: Tipologie di pannello touch

Figura 1: Tipologie di pannello touch

Il touch panel può essere costituito da Touch Key o da un Touch Screen. Per i touch key il principio di rilevazione del tocco si basa essenzialmente sulla misurazione della capacità elettrostatica, l’elettrodo è generalmente costituito da un materiale che può essere lo stesso PCB, oppure un film di ITO (Indium Tin Oxide) oppure delle gomme conduttive. Viene misurata la capacità elettrica generata tra l’elettrodo e il corpo umano, e in base ad un criterio di valutazione viene definito il tasto come premuto oppure non premuto. Tipici esempi di questo genere sono le matrici di tasti, i cursori, le regolazioni a rotazione, etc. In Figura 2 è possibile vedere una implementazione su PCB di questi ultimi tre elementi. Se invece adesso consideriamo i touch screen, abbiamo che i metodi per individuare il tocco sono diversi, oltre al metodo basato sulla misura della capacità elettrostatica, ce ne sono altri come il metodo a film resistivo, il metodo ottico e il metodo ad onde ultrasoniche.

Figura 2: Elettrodi su PCB per una matrice a tasti, una regolazione a rotazione e un cursore.

Figura 2: Elettrodi su PCB per una matrice a tasti, una regolazione a rotazione e un cursore

Noi ci occuperemo, come detto in precedenza, solo del metodo che si basa sulla capacità elettrostatica. Questo metodo utilizza delle connessioni elettriche e un film sottile di ITO per realizzare degli elettrodi in una matrice XY. In Figura 3 e 4 sono mostrate due tipologie di realizzazione, con elettrodi a forma di rombo oppure con elettrodi a graticola, ed in tal caso si sfrutta, per la rilevazione, il metodo della mutua capacità. Anche in questo caso, quando viene rilevata l’iterazione con un elettrodo, viene definita la posizione in termini di coordinate X e Y, coordinate che possono anche essere multiple in caso di multi-tocco.

METODI BASATI SULLA CAPACITÀ ELETTROSTATICA

Partiamo dal principio che sta alla base di questi metodi di rilevazione. Quando non viene toccato, un elettrodo ha la sua propria capacità parassita tra GND e il materiale che compone l’elettrodo stesso, ma anche verso l’involucro metallico che racchiude il PCB (Figura 5 a sinistra). La capacità elettrica viene a generarsi tra l’elettrodo e il dito, poiché il corpo umano è un conduttore che, a sua volta, è collegato ad una terra virtuale. Quando il dito si avvicina all’elettrodo (Figura 5 a destra), la capacità aumenta.

Figura 3: Elettrodi a forma di rombo.

Figura 3: Elettrodi a forma di rombo

Il metodo di rilevazione della capacità elettrostatica percepisce l’avvicinarsi del dito semplicemente misurando l’incremento di capacità che si verifica tra la situazione di non tocco e quella di tocco. Il principio sul quale si basa questo metodo, detto anche auto capacitivo, sembra piuttosto semplice in realtà, poiché i collegamenti all’elettrodo e al circuito integrato di rilevazione non possono essere protetti da strati a livello di GND, la tolleranza al rumore è piuttosto bassa. Un altro metodo che abbiamo citato in precedenza è quello della mutua capacità; in questo caso l’elettrodo di trasmissione e quello di ricezione possono essere schermati dalle sorgenti di rumore esterne, per questo il metodo è più insensibile al rumore. Il principio è mostrato in Figura 6.

Figura 4: Elettrodi a graticola.

Figura 4: Elettrodi a graticola

Figura 5: Metodo auto-capacitivo.

Figura 5: Metodo auto-capacitivo

Figura 6: Metodo a capacità mutua.

Figura 6: Metodo a capacità mutua

Come detto in precedenza, esistono un elettrodo di ricezione ed uno di trasmissione; se l’elettrodo di ricezione è collegato a massa e quello di trasmissione è alimentato con un impulso elettrico, allora si genera un campo elettrico nella zona intermedia tra i due elettrodi. Durante un tocco, il campo elettrico tra gli elettrodi viene deviato perché in parte ridiretto verso il corpo umano. Il metodo della mutua capacità individua l’avvicinamento del dito misurando il decremento di carica legato al decremento di campo elettrico rispetto alla situazione di non tocco. Per questo metodo la gestione è più complessa, bisogna generare un impulso che viene trasmesso per mutua capacità. Il vantaggio, come già esposto, è la possibilità di isolare gli elettrodi dall’esterno e rendere il rilevamento più tollerante al rumore.

TEORIA DELLA CAPACITÀ ELETTRICA

Il modello della capacità elettrostatica è mostrato in Figura 7. La capacità elettrostatica C è proporzionale alla superficie A, alla permettività del materiale tra gli elettrodi ed è inversamente proporzionale alla distanza di questi. La capacità elettrica generata dal dito sull’elettrodo è dell’ordine di pochi pico-Farad. Più questo valore è ampio, più la rilevazione sarà accurata. Intervenire sulla superficie non sempre è possibile poiché è spesso vincolata dall’applicazione, la distanza degli elettrodi è anch’essa legata allo spessore del materiale utilizzato per la realizzazione del tasto touch, ed in molti casi sottoposta a vincoli progettuali. Per ottenere la più ampia variazione di capacità nel caso di tocco, è necessario utilizzare dei materiali tra gli elettrodi che abbiano una buona permettività. Il vetro è un ottimo materiale per questo scopo, ma anche quelli acrilici e le plastiche sono spesso utilizzati perché più economici.

Figura 7: Modello della capacità elettrostatica

Figura 7: Modello della capacità elettrostatica

METODO OMRON

Il metodo Omron, detto anche del confronto delle divisioni di tensione attraverso la capacità serie, è uno dei metodi auto-capacitivi. Facendo riferimento alla Figura 8, per misurare la capacità parassita Cx dell’elettrodo, le operazioni in sequenza sono le seguenti:

  • La capacità Cc viene caricata. SW1 è ON, mentre SW2 e SW3 sono OFF
  • La carica di Cc viene interrotta e questa conserva la sua carica. SW1, SW2 e SW3 sono OFF
  • A questo punto si procede con la scarica, SW2 e SW3 sono ON e per un tempo fissato, Cc si scarica parzialmente attraverso la resistenza Rc, mentre tutta la carica di Cx e Cr si scarica
  • Chiudendo tutti gli interruttori, la carica di Cc si muove verso Cx e Cr
  • La tensione di Cx viene confrontata con Vfre attraverso un comparatore
Figura 8: Metodo Omron.

Figura 8: Metodo Omron

Per le fasi (4) e (5) il circuito equivalente è quello di Figura 9.

Figura 9: Circuito equivalente fasi (4) e (5).

Figura 9: Circuito equivalente fasi (4) e (5)

Le tensioni su Cr e Cx si equalizzano alla tensione su Cc. La carica di Cc si distribuisce a Cx e Cr. Tra le tensioni Vr, Vc e Vx e le relative capacità valgono le relazioni:

Vc=Vr+Vx                        (a)

Vr : Vx = 1/Cr : 1/Cx      (b)

Vx = Cr/(Cr+Cx)*Vc      (c)

I processi (3), (4) e (5) sono eseguiti finchè Vx <Vref. Come mostrato anche dall’equazione (c), il numero di cicli di scarica per raggiungere la condizione Vx <Vref diminuisce quando Cx aumenta di valore. Questo numero di cicli di scarica viene utilizzato come parametro per discriminare il tocco oppure no. In Figura 10 viene mostrata una tipica forma d’onda nel caso di individuazione del tocco. Le forme d’onda rettangolari mostrano la tensione su Cx, mentre l’onda “triangolare a gradini” mostra l’andamento della tensione su Cc. La tensione Vc decresce gradualmente ad ogni ripetizione degli step (3), (4) e (5). Vx è la tensione ricavata tramite l’equazione (c) durante lo step (4), mentre vale 0V durante lo step (3), poiché SW3 è chiuso. Il numero di cicli per raggiungere Vx <Vref diminuisce quando la capacità Cx aumenta in seguito al tocco.

Tabella 1: permettività di alcuni materiali.

Tabella 1: Permettività di alcuni materiali

Figura 10: Forme d’onda per il metodo Omron.

Figura 10: Forme d’onda per il metodo Omron

APPLICAZIONE DEL METODO OMRON ALL’R8C/33T

Il microcomputer R8C/33T per la sua SCU utilizza il metodo Omron, in Figura 11 è mostrato in maniera semplificata il circuito che implementa il metodo, in maniera molto simile a quanto mostrato in Figura 8.

Figura 11: Circuito di rilevazione del tocco per l’R8C/33T.

Figura 11: Circuito di rilevazione del tocco per l’R8C/33T

Rispetto al metodo Omron sono implementate alcune piccole differenze:

  • Il circuito di Cr viene utilizzato con più di un elettrodo. Un selettore permette di collegare i differenti elettrodi
  • Per caricare Cc ad alta velocità senza utilizzare la resistenza, c’è un terminale dedicato a tale funzione
  • La SCU controlla il selettore, gli switch di carica/scarica, i tempi di carica/scarica e il conteggio dei cicli di carica e scarica. Di conseguenza, la misura di capacità di due o più elettrodi è automatizzata
  • Una resistenza Rr va aggiunta ad ogni porta come protezione. Per realizzare un layout che massimizzi il risultato per un circuito touch con l’R8C/33T e per la scelta della componentistica esterna, si rimanda al documento dedicato di Renesas.
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