成本优化的电容触摸微控制器 (2)

大家早上好 我是Louise 技术支持 其实触摸这个应用大家都不陌生 在很多生活产品中都有用到 触摸听起来很简单 你拿几个PCB的PAD 连到L口 去测量跟人体的一个电容就可以了 做过触摸产品的工程师朋友应该知道 其实触摸这个应用想做好不容易 就包括今天 今天很多问题都提到触摸方案如何在今天的抗干扰性 方面做得好 我的手是湿的 包括我的触摸环境中的RF噪声特别大 我的ESD要求很高 所以这种 从产品角度的一些触摸的要求 如何做到符合是很多工程师关心的一个点 今天给大家介绍TI的CapTIvate的触摸技术 TI在这方面有哪些独特之处能帮助工程师解决这个难题 首先是抗干扰性 我们可以看到针对 究竟通常的干扰有哪些 以及我们的产品能够达到如何的级别的要求 首先对抗干扰性 这边有一个EMC的认证 IEC61000-4 那个认证对触摸的以及RF的干扰 RF的抗干扰包括ESD EFT 都有做对应的要求 针对这个样的产品 有抗干扰的测试结果 分为class A B C 我们的方案是能保证怎样的一个级别呢 就是在10伏每米的EFT的测试中 产品能保证正常的工作 所以这其实是一个很好的抗干扰的性能了 如果从我们的芯片角度来看 我们的哪些特性能帮助这点呢 这里我做一个比喻 做触摸 不仅仅是芯片 个系统设计也有很大的相关 我想比喻 做汽车 如果你想汽车跑得快 那你可以从很多角度来做设计 那发动机 好的发动机是不是能够帮助你跑得更快呢 触摸也是这样的情况 如果我们的芯片 做设计的时候针对抗干扰性做了很多的考虑 把它用在我们芯片的技术里面 对工程师在系统设计方面就能更简单 CapTIvate是从以下几个方面 第一 硬件方面 硬件不是PCB的硬件 而芯片的硬件 我们的CapTIvate核里面 有跳频的技术 能够同时支持 四个不同的频率段 来对电容进行采样 比如你做EFT 或面对Off的干扰 你的干扰频段一般会集中在某个频段 而我是可以同时对四个频段采样 对采样结果做选取 做一个平均 可以把你的干扰的频段 噪音的频段消除掉 第二个是 过零的同步 是说 采样可以跟外部配合 通过一个L口 当你需要采样的时候 给我一个信号 从而启动触摸的一个检测 所硬件角度来看 这两个是能够帮助 工程师降低干扰 第二个从软件层面呢 软件层是我们已经做好的应用型软件 我们也是直接通过库的方式提供给大家 针对软件 我们的流程有一系列的算法 首先 我们可以支持过采样 大家可以看到 当你做电容检测的时候 尤其是EFT测试的时候 你可能在某个阶段上面有干扰 如果是说 我针对采样 将采样率提高到两倍 四倍 八倍 最高提高到十六倍 对应的你可以把这个干扰平均到这个区间里边 降低瞬间采样对你的结果的影响 这个特性针对EFT测试是很有帮助的 第二个测试就是debounce 做过硬件测试的都知道 防抖设计功能 那针对我们的CapTIvate 同样也有一个防抖设计 我可以选择 设计好阈值之后 只有你连续两次 或者三次达到我的阈值 检测的时候 我才把它判断为一个这样一个事件 所以这样的一个反抖的设计可以在rebounce方面提升系统 第三就是针对频率性的干扰 比如你做EST的测试 针对滤波 我们有一个内部的IIR的滤波的算法 这个算法能够将低频干扰 40 50 60赫兹的干扰 能够很有效的滤除 所以从应用层软件角度 我们从整个 从采样到结果 到把这个结果处理完 我们的流程方面 通过刚才说的过采样 防抖以及滤波能够实现 干扰的一个消除 第三部分是系统层面 这个层面 左图中我们通过了IEC61000-4的 这样认证的一个EVM 这个系统的设计有很多的 从接口 到PCB到PAD 到系统里面的一些保护的设计 都有详细的介绍 大家有兴趣可以在我们官网上搜索 CapTivate找到用户资料学习 刚才说的抗干扰性 更多的是从我们的芯片层面以及软件层面 另外就是应用时的干扰 用户刚才也有提问 比如我的手是湿的 或者我的工作环境很湿或者有很多灰尘 那么之前的方案 包括用户也有反馈 有误触发的情况 那针对这部分 我们有一个叫guard channel的设计 这个设计能很好的防止 比如触摸板上有水或者有灰尘 这样对我们的触摸的准确性的判断 最后就是我们的CapTivate技术对RF的一个示范 emission方面 也能降低emission的程度 我们来看看结果 这是针对于 IEC 61000-4的一个测试 左边是没有触摸的一个采样数据 是非常干净的数据 右边是我们的互感的一个触摸的 EVM在做EFT测试 这样的结果 大家可以看到这样的一个强干扰器对我们的数据 有非常大的影响 不仅仅是在触摸的瞬间 包括在不是触摸的时候 大家也会看到这样的尖峰 包括大于以及小于的一个干扰 针对这样的结果 我们处理之后的效果如何呢 大家可以看右边的图 底部红色的曲线就是我们的底部噪音 它是根据我们的背景的干扰情况 比如在触摸时有一个EFT的干扰 所以这里的背景干扰会相对比较强 所以这个背景干扰 我们的触摸有一个技术 第五点 动态的阈值调整技术 就是这个技术能够根据实际的环境的变化来 动态调整我是否产生触摸的一个阈值 我通过调整这个阈值从而降低对我的系统的影响 第二就是针对这个干扰 大家可以看到 有很多的噪音 我们有四个频率同时采样 采样后我们有几个算法 我们会选取两个 选取三个 进行采样结果的输出 把有噪音影响的段剪掉 所以针对这样一个多频率和扩频的算法 第一和第二点能高效把干扰滤除 所以 经过滤波后的曲线来说的话 跟实际的非常干净的曲线非常类似了 所以芯片的设计 芯片的哪些机制能够帮助 你消除干扰 可以很大的简化你的系统设计 第二就是湿度 手掌靠近的误触发 左边是EVM的一个图 右边是EVM的[听不清] 无论是有水沾在我们的触摸面板 或者你的手是湿的 或者你整个手掌触碰的情况下 我们有一个guard channel的设计 针对外部 我们画一个sensor pad 然后检测这个sensor pad 当我们检测 比如你的整个上面有水滴 有水滴溅到我们的触摸面板或者有很多灰尘的时候 我们有两个方法 一个是把所有的按键屏蔽 第二是将我的阈值调整 从而时间 即使你手湿 或者有灰尘 有灰尘粘在触摸板上 依旧能实现准确的判断 刚才讲到了抗干扰性 我们其实另外一 特点就是多样性 后台有很多客户提问 我们的芯片能够支持多少个按键 包括跟普通的MCU有何区北 首先 我们的触摸芯片是能够支持两种模式的 第一种 质感模式 简单的理解就是 如左图 简单的一个PAD 对应我们的touch的L口 所以针对PAD跟外部形成的电容来做一个检测 这个质感模式的精度可以更高 更适合高精度的 比如你做一个轮滑 比如一个旋转的轮滑检测 同时你要做触摸靠近的话 质感模式更合适 另外是互感模式 它需要两个PAD 一个发送 一个接收 通过检测这两个PAD之间的电容变化 来实现电容的检测 这个互感模式的优势是什么呢 它能够支持更多的按键 我们想象一下 八根横线 跟八个纵线相交能产生64个交点 对应的 我们通过把个TX 和八个RX 能够支持64个按键 所以互感模式能够支持更多的按键数目 所以根据系统的具体应用 我们可以灵活选择 质感和互动的模式 来满足系统对轮滑或者 按键的需求 关于多样性的一部分 就是我们能支持多少种介质 这边我们能支持金属触摸 大家看到 金属触摸在目前市场上有很多产品在使用 看起来很大气 同是一体式的设计 也会很美观 除了外观优势外呢 针对金属触摸 还有其他方面的优势 一个是防水 为什么呢 因为金属触摸一个是要靠外界的压力 来产生微变形 从而产生电容的变化 一般的水渍 污渍或者灰尘对金属面板的 影响可以忽略不计 所以金属触摸本身 所以对水和陈旧有一个天然的排除 第二就是你的手靠近 或者外部的干扰的时候 其实对金属触摸的影响非常小 除了这两点 金属触摸中的外壳一般会接地 所以金属触摸一般对外界的RF的干扰 本身有很好的抑制性 所以外观的优势 包括它本身的一些 操作性的优势 所以金属触摸 有很多客户提出这样的一个需求 那这里TI有一个完整的针对金属触摸的方案 大家看到 左边是我们的EVM 是实现了八个触摸按键的 一个显示 同时八个按键是支持同时触摸的 同时按下1和2 我们是可以同时识别 右边是我们的终端客户用我们的芯片 做的终端的参考设计 有针对电梯 饮水机的 还有很多不同的终端应用都有做金属的设计 我们先来看看金属触摸的原理 以及设计过程有哪些要点需要注意 金属触摸 大家可以看到 右边的这样一个示意图 底层是我们的PCB PCB上面会有一个检测的PAD 检测的PAD 然后左边和右边有一个检测的区 是我们的填充 填充上面就是我们的 跟用户交互的一个金属面板 当金属面板没有形变的时候 跟我们的PAD之间有一个电容 而这个电容可以用左下角这个公式 来做计量 可以很明显看到说 电容大小跟PAD的大小 就是这个A是成正相关 PAD跟顶部的金属的距离D 是有负相关 所以有外部的压力 让距离减少 从而导致电容的增加 而我们的触摸技术的高灵敏度 能对电容的变化有非常好的一个识别 所以这是针对金属设计的一个原理 看看 金属在结构设计方面 跟传统的触摸技术有何不同 左边是通常的触摸设计 左边 底层是PCB 上面是一些sensor pad 然后上面是一个玻璃或亚力克的覆盖 这是传统的一个触摸的设计 右边就是我们的金属触摸的设计了 这个金属设计 与左边不同的是 它这边有一个填充区间 有填充物 而填充物中间的PAD会单独出来 上面盖一个金属触摸 由于金属触摸在触摸的时候是有一定的力度的 为了防止力度过大 导致你的形变不可恢复 所以对金属的厚度一般是有要求 一般是建议大于0.4个毫米的厚度 另外很重要的就是 这边有两个按键 当你用力按右边的按键的时候 要保证左边的按键不受影响 这需要我们的填充以及底部的PCB 有非常高的支撑力度 所以做金属触摸的时候 我们会有结构方面的要求 我们要求用户能够非常 牢固的把我们的PCB板固定住 不会因为外接的触摸导致PCB的移位和挪动 另外针对填充物的硬度以及中间的隔离 我们希望能牢牢固定住 比如在中间区 我们加上螺钉这样一个固定 能够把金属面板跟我们的PC填充 牢固的固定 所以金属面板的结构的一个设计 针对金属触摸 我们网上已经发布了一个应用文档 它是从金属触摸从原理到要考虑的要点 到实际的设计 都有非常详细的描述 大家感兴趣 可以在ti.com下载相关的资料 如果在设计过程中 看完资料还有疑问的话呢 欢迎大家到我们的e2e的工程师社区中提问 我们会有专家个大家在24小时内回复 说完了我们的抗干扰和多样的设计外 还有一个很重要的点 就是功耗 随着电池供电设备和物联网应用的越来越多 大家对功耗的要求也越来越高 针对我们的触摸芯片 我们可以自豪的说 我们的功耗比竞争对手的 方案低很多很多的 低九十个百分点 我们如果只扫描四个按键 然后保持CPU在休眠状态下 可以保证0.9个微安 这是一个非常令人兴奋的数值 就是不到一个微安 对这样的一个功耗 我们的设计里面有哪些 特性能做到这样低的功耗 大家可以看看 左边的流程图 流程图有两个颜色 一个是黄色 代表现在的MCU是处于一个活跃的状态 另外一个是灰色 代表我的MCU在休眠 大家知道 MCU在工作 一般是百微安级的一个功耗 所以MCU的休眠或活跃的模式 对功耗的影响很大 那么我们看看 一般来说 在MCU运行的瞬间 没有按键的时候 MCU会进入一个低功耗 低功耗的时候 可能很多的竞争对手的方案 单芯片需要MCU控制的方案 这时候是不能工作了 而我们的CapTIvate在MCU 休眠的情况下 我们可以独立于MCU进行工作 MCU休眠的时候 大家可以看到灰色的区域 我们的CapTIvate的核还能够保持测量 以及对测量的结果做一个处理 这个处理可以是简单的处理 也可以是加入抗干扰性能的处理 处理完之后 如果发现电容的变化值达到阈值的情况下 这个时候把MCU唤醒 让它来做事件的处理 这里的核心是我们的CapTIvate技术是可以完全独立于 MCU部分进行触摸的一个测量 以及数据的一个处理 所以这是一个很重要的一个点 也是基于这样的技术 我们在单纽扣电池能够保持工作15年的一个周期 第二点就是关于我们的铁电 我相信关心TI的触摸技术的工程师都知道铁电的技术 如果你之前没有关注铁电 但现在对数据存储或功耗 有要求 那你可以来网站上看看铁电的系列 铁电这样的存储介质 相比于FLASH 有独特的优势 首先不需要高压操作 它能在3.3伏的情况下 直接进行操作 所以说 低压操作 第二写的时候 可以单独写 所以不需要单芯片的插入后写 同时 它写入和擦除的速度 非常快 功耗低 基于铁电的优势 我们的芯片将铁电和CapTIvate的优势结合起来 从而形成了我们业界功耗最低的解决方案 除了功耗 另外一个是精度 前面我也在后台回复大家 关于精度 首先我们能检测到非常低的电容变化 可能这里能看到一个单位啊 可能大家都不是很熟悉 因为之前根本没有接触过 我可以跟大家说说皮法这个单位 一个皮法是10的负12次方法 而这个单位是10的负13次皮法 从这个角度 大家可以想象我们的这个检测 能检测到的电容变化的精度很高 基于这样高精度的电容检测 有两个好处 一个是能够做到很好的灵敏度的检测 比如做3D 做接近感应 通过一个大的PAD 有更高的精度 能够做到更高的高度 能做到一个更远的接近的距离 第二是因为高精度能够识别一个手势的变化 手术识别 这个手势识别不是你手指的变化 而是左右上下 这样的手势识别其实是针对一些 唤醒还有调音量的应用就很合适 另外当你做轮滑的设计的时候呢 高精度的解决方案能够帮你实现高精度的轮滑 左边是我们针对轮滑的参考设计 参考设计的资料 你可以在TI官网获取它的PCB 以及相关的设计文档 这是一个30厘米长的轮滑 在它上面 我们只需要4个PAD 就可以实现0.029里面的高精度测量 我们网上有视频 如果你去看视频的话 可以看到 在整个滑动的时候 它的一个检测的精度 非常高 不会抖 可以看到它从零一直平和的递增递增 不会有抖动的现象 第三 高精度对抗干扰性也是非常有优势的 为什么呢 因为在精度高的情况下 你可以将对应的阈值 提高到另外一个层面 不需要担心阈值提高之后 由于精度不够高 不能准确检测到触摸的一个影响 所以高精度的触摸的分辨率不仅仅能在 应用方面帮到你 也可以在抗干扰方面帮助到工程师 最后一个是关于高精度 我们有做一个60厘米 厚的玻璃 在很多的应用的业务场合里面 可能为了防水防尘隔绝 跟外部的干扰 你可能选择这样厚的玻璃做一个隔离 我们能够支持在厚玻璃的情况下的按键的检测 最后重要的一点 有没有开发板 我用起来是不是需要自己画板子 方不方便 TI是提供了非常全面的开发套件 左边是我们开发2633的一个开发套件 这个开发套件 我们也是从用户的角度考虑 分析了不同的终端应用类型 有类似于电话的一个界面 有做接近检测的这样一个界面 在这个界面上 你可以做对应的接近距离啊 可以做检测手势的算法都行 同时我们做了一个简单的按键加轮滑的 以及旋转触摸的一个设计 而这边是把CapTIvate单独调试的一个调试器和下载器 单独出来 便于你开发好之后 做产线的生产 这样的一个开发板可以直接针对 长期的芯片进行一个消弱 所以这是CapTIvate的一个开发套件 除了标准的开发套件外 我们还有不同的针对应用的套件 包括前面提到的针对金属触摸的 这样的一个开发套件 这个现在有很多的应用 包括iPhone 7上面的按钮 震动的芯片 随着用户需求的增高 用户希望按键的时候有灯光 或者震动的反馈 也是针对用户的需求 我们TI也推出了CapTIvate加上我们的一颗 触摸震动的Haptics的芯片做了一个参考设计 这个芯片可以在你触摸的时候给你不同强度 不同的震动的反馈 也是如果你有相关的设计 你可以在官网查询我们的参考设计 我们刚才提到的 包括通用的CapTIvate的开发板 包括我们的金属触摸 包括我们震动加触摸的一个板子 所有的设计资料 设计文档 以及设计技巧 都能在ti.com的官网上下载 有了板子之外 用户很关心的另外一点就是 你的软件怎么样 我们是说两个层面 我们的软件是免费的 只要你注册了TI的会员 你就能免费使用TI的设计软件 这是第一点 第二是针对触摸的设计 触摸是针对不同的应用 它可能需要很多调试的工作 可能随着国内很多客户的设计时间非常短 所以如何快速完成这样的一个系统设计就很关键 TI是推出了一个CDC的叫做CapTIvate Design Center的软件 大家也能看到这个图啊 这个软件是能帮助你从一站式的设计 从参数的调整到最后量产的参数的校准 整个流程通过这个软件都能完成 这个软件是直接采用图形化的设计方式 直接把对应的芯片以及你想实现的终端的功能 比如触摸的 按键 或者是一个阶测检测 或者做旋转的一个判别 或者进度条的功能 你把终端的你需要的 触摸的应用场景拖到我们的软件里之后 你双击即可进行相应的L管脚 以及阈值 以及你是否需要抗干扰的功能的设计 同时你设定好之后 直接连接上我们的调试工具 就能够在这个软件上面做调试 你可以测试使用按键的时候 它的变化情况如何 当施加一些外部干扰 比如手握着或者其他干扰的时候 它的不同按键的情况 这种图形化的界面能够非常方便 让工程师进行调试以及参数的校准 当你把所有这些都开发好之后 你直接可以 将这个工程导入到CCS工程里边 进行后续的应用层的开发 就是针对你的产品的应用层的一个开发 而这个开发软件就是TI的CCS的软件 这个CCS7之后也是免费针对所有TI的会员开放的 所以我们从软件的设计到调试 都最终应用层软件的设计 我们一条龙的软件支持都是免费的 到这里 很快给大家总结一下CapTIvate技术的几个特点 第一是抗干扰性 我们有跳频 我们有滤波 以及防抖 扩频这样的算法层面的支持 能够很好的帮助你通过抗干扰性的测试 来实现抗干扰的一个设计 第二是我们的低功耗 多样性 能够实现多按键 但按键 以及轮滑不同进度的功能的实现 以及金属触摸 玻璃触摸 最后一个就是 从硬件的开发板到软件的一个工具 我们能够提供诊断式的一条龙的服务 这里的介绍也就到这里 下面有请我们的市场经理刁勇给大家介绍一下 我们芯片具体的一些情况