CC BY
29Новое поколение датчиков производства компании Freescale Semiconductor
для сенсорного управления
Алексей АРХИПОВ Михаил АСТАШЕВ
Бурное развитие электроники привело к появлению принципиально новых полупроводниковых датчиков на основе бесконтактных технологий. Среди них емкостные датчики являются наиболее распространенными и перспективными. Использование в устройствах промышленной, медицинской и бытовой электроники бесконтактных клавиатур, построенных на базе емкостных датчиков, позволяет существенно расширить области применения данных устройств, увеличить надежность и снизить конечную стоимость изделий.
Компания Freescale Semiconductor — один из лидеров в области разработки и производства электронных компонентов — представлена в сегменте емкостных датчиков приближения (proximity sensors) семейством MPR08x (табл. 1).
Емкостные датчики приближения, производимые компанией Freescale, содержат низкочастотный генератор синусоидального напряжения, нагруженный на RC-контур, к которому подключен чувствительный контакт, выпрямитель, НЧ-фильтр и индикатор постоянного выходного напряжения (рис. 1). RC-контур образуется выходным сопротивлением генератора и паразитной емкостью, величина которой очень мала, а реактивное сопротивление достаточно высоко. Вследствие этого в обычном режиме, когда вблизи контакта нет посторонних объектов и объект не приближается к контакту, напряжение на паразитной выходной емкости (и на подключенном к той же точке контакте) почти равно напряжению холостого хода генератора (напряжению в точке (а)).
Когда же какой-либо объект, например палец человека, приближается к контакту, он образует вместе с контактом обкладки конденсатор значительно большей емкости, реактивное сопротивление в точке (б) умень-
Таблица 1. Характеристики и доступность микросхем MPRGB3 и MPRGB4
Название микросхемы Характеристики Тип корпуса Доступность образцов Начало серийного производства
MPR0B3 8-позиционный поворотный переключатель 1,8-3,6 В -40...+85 °С QFN-16TSSOP-16 Сенябрь 2007 Октябрь 2007
MPR0B4 B независимых сенсорных клавиш 1,8-3,6 В -40...+85 °С QFN-16TSSOP-16 Октябрь 2007 Ноябрь 200B
шается и напряжение в этой точке снижается, что приводит к снижению напряжения и на выходе фильтра в точке (в).
Наиболее перспективным использованием датчиков приближения на основе детектирования электрического поля является построение сенсорной клавиатуры. Именно для таких целей и предназначено семейство датчиков приближения МРЯ08х, состоящее из двух типов датчиков.
На рис. 2 представлена блок-схема простейшего датчика МРЯ084, число сенсорных клавиш которого равно числу сенсорных выводов микросхемы.
Измеритель емкости в данной микросхеме содержит устройство сканирования, подающее напряжение генератора поочередно на одну из контактных площадок, и после цикла сканирования по изменению напряжения на выходе генератора ниже порогового уровня
IRQ
SDA
SCL
RST
ADO
Блок
прерывания
контроллера
MASKS
Интерфейс
I2C
Блок
звукового
генератора
£*
X
■&
Разрешение
для
клавиши
Ток
клавиши
0) с
Декодер позиции S 5 6 * л S ? I о * □ □□□ □□□□
S е: ZT X X
2 о
а. Z
л
5 а; 1-
I- X о.
£ £ »
Рис. 2. Датчик для клавиатуры на B клавиш MPRGB4
определяется, к какой из клавиш приближается палец пользователя. Сигналы с компаратора поступают на декодер позиции, который записывает состояние системы в регистр конфигурации состояния. Далее данные в режиме прерывания передаются на ведущий контроллер через последовательный интерфейс 12С. Приближение пальца к контакту отмечается характерным щелчком, создаваемым встроенным в датчик звуковым пьезогенератором, имитирующим щелчок механического выключателя.
В сенсорных панелях управления для сотовых телефонов, смартфонов, КПК и тому подобных портативных устройств применяется также сенсорное устройство, подобное поворотному переключателю (рис. 3). Для этого сенсорные площадки (контакты) можно расположить по кругу, и движение пальца по этому кругу будет имитировать вращение ручки переключателя. В портативном устройстве переключатель используется для выбора программы. При движении пальца по кругу подсвечиваются различные
Таблица 2. Основные характеристики и преимущества MPRGB3 и MPRGB4
Основные характеристики Преимущества
B выводов Возможность одновременного обслуживания восьми сенсорных клавиш или 8-позиционного поворотного переключателя
Напряжение питания — 1,B-3,6 В Оптимально для портативной электроники и работы с сенсорными клавиатурами
Ток потребления в режиме сканирования — 15G мкА в режиме ожидания — 1 мкА Низкое энергопотребление, увеличение срока службы батареи
Связь с внешним МК в режиме прерывания Нет необходимости в опросе микросхемы
Наличие регистра конфигурации состояния Хранение восьми последних состояний
Поворотная и кнопочная клавиатуры Возможность работы в системах с различной конфигурацией
Цифровой выход (112С-интерфейс) Упрощенный интерфейс для связи с микроконтроллером на базе стандартного интерфейса для портативной электроники
Диапазон рабочих температур: -4G...+ B5 °С Широкий температурный диапазон для использования в различных областях применения
Тип корпуса: TSSOP-16, QFN -16, 5x5x1 мм RoHS Наличие различных альтернативных решений при проектировании печатной платы, экологическая безопасность
программы в меню, и после выбора нажимается клавиша ввода.
Для реализации подобного устройства может быть применена специализированная микросхема датчика приближения MPR083, блок-схема которого показана на рис. 4.
Основные характеристики микросхем MPR083 и MPR084 представлены в таблице 2.
Для разработки сенсорных панелей на базе датчиков семейства MPR08x Freescale Semiconductor предлагает две платы. Плата KITMPR084EVM предназначена для разработки сенсорной клавиатуры на 8 клавиш с использованием датчика MPR084 и содержит в левой части разъемы для подключения датчика и измерительной аппаратуры и пьезокристаллический звуковой генератор, а в правой части — контактные площадки для 8 сенсорных клавиш (рис. 5).
Аналогичную конструкцию имеет и плата KITMPR083EVM, предназначенная для разработки сенсорного поворотного слайдера с использованием датчика MPR083, но вместо клавиш на его сенсорной площадке расположены 8 позиций поворотного слайдера (рис. 6).
Рис. 5. Оценочная плата для проектирования сенсорной клавиатуры с использованием датчика МРЭД84
Рис. 4. Блок-схема 8-позиционного сенсорного поворотного переключателя на базе микросхемы МРЭД83
Таблица 3. Сравнительные характеристики микросхем емкостных датчиков приближения различных производителей
Название микросхемы MPR083/4 QT1080 AD7142 CY8C24094
Количество выводов 14 24
Диапазон рабочих напряжений 1,B-3,6 В 2,B-5,5 В 2,6-3,6 В 3,G-5,2 В
Наличие сторожевого таймера + - - +
Наличие таймера сброса + - - -
Тип корпуса и размеры TSSOP-16, QFN-16 (5x5x1 мм) TQFN-32 (5,1 x5,1G мм), SSOP-4B (1G,67x16,1B мм) LFCSP-32 (5x5 мм) QFN-56
Доступные интерфейсы связи I2C аналоговый SPI, I2C USB, I2C
Диапазон рабочих температур -4G...+B5 °C -4G...+B5 °C -40...+150 °C -4G...+B5 °C
Рис. 6. Оценочная плата для проектирования сенсорного поворотного слайдера с использованием датчика МРЭД83
Наряду с компанией Freescale Semiconductor лидирующие позиции в разработке и производстве емкостных датчиков приближения за-
нимают Analog Devices (AD7142), Cypress Semiconductor (CY8C24G94), Quantum Research Group (QT1G8G). В таблице 3 представлены сравнительные характеристики микросхем емкостных датчиков приближения различных производителей.
Емкостные датчики приближения серии MPRG8x компании Freescale Semicondurtor — недорогой и современный продукт, удовлетво-
ряющий постоянно возрастающему потребительскому спросу. Использование микросхем данной серии открывает перед разработчиками свободу проектирования высокотехнологичных устройств на основе сенсорных технологий, давая возможность самостоятельного выбора размера и формы контакта, в полной мере удовлетворяющего каждому конкретному приложению. ■
