Veresegyházy Zsolt, Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
Kapacitív érintésvezérlés
2019 június 5.
Összefoglalás :
Az okostelefonok és a tabletek elterjedése mindenki számára magától értetődővé és megszokottá tette az érintésvezérlést, ami az elektronika egyre több területén készteti a fejlesztőket a mechanikus felhasználói interfészek (kapcsolók, nyomógombok) elektronikus változattal való kiváltására, így kerülve el a kopásból, anyagfáradásból eredő meghibásodásokat és kihasználva a technológia által nyújtott innovatív gesztusvezérlésben rejlő lehetőségeket. Távirányítókban, háztartási gépekben, kaputelefonokban, szórakoztató elektronikában mind gyakrabban találkozunk ilyen ember-gép interfész megoldásokkal, melyek a kapacitív érintésvezérlés technológia segítségével egyszerűen megvalósíthatók. További előnye ennek a technológiának a készülék számára a környezeti hatásokkal (víz, por stb.) szembeni magasabb ellenállóság biztosítása, hiszen általában nincs szükség a készülékház megbontására. Cikkünkben áttekintjük a kapacitív érintés- és közelítésérzékelés fizikai alapjait és megvalósítási lehetőségeit.
Általánosan felfedezhető trend, hogy a mikrokontrollergyártók manapság felruházzák eszközeiket alapszíntő érintésvezérlési funkciókkal, melyek lehetővé teszik külön áramkörök illesztése nélkül az egyszerű érintőgombok, alap gesztusvezérlés integrálását a végtermékbe. Ezek a megoldások általában tökéletesen alkalmasak arra, hogy a mechanikus kapcsolókat, forgógombokat és csúszkákat korszerű kapacitív érintésvezérlésre cserélje a konstruktőr, azonban pontos pozícionálást igénylő feladatokra, illetve extrém elvárások (fán, vastag üvegen keresztüli vezérlés) esetén már erre a célra fejlesztett professzionálisabb megoldások alkalmazása kívánatos. Ilyen use-case például a számítógépek vagy távvezérlők érintőpadja, a korszerű sütők, konyhai gépek kezelőszervei vagy a bútorba integrált érintőkapcsolók világa. Ezekre a feladatokra kiválóan alkalmazható nagy érzékenységű innovatív megoldást nyújt az Azoteq cég, melynek szabadalmait neves mikrokontrollergyártók is alkalmazzák.
A kapacitív érzékelés alapjai
A kapacitív szenzorok olyan vezető felületek, melyek kapacitása az emberi test, kéz vagy ujj közelítésének, érintésének hatására megváltozik. Ez a kapacitás lehet két mérőelektróda közötti kölcsönös kapacitás, vagy egy elektróda és a föld közötti saját kapacitás.
A bekövetkező kapacitásváltozás mértéke nagyon kicsi, érintés esetén 10 pF, közvetlen közelség esetén 1 pF, közelítés esetén mindössze 0.05-0.1 pF nagyságrendbe esik, melynek detektálására vagy egy mikrokontroller A/D konverterét és megfelelő szoftver könyvtárat vagy dedikált érintésvezőt használhatunk. Az érzékelésben használt módszerek a következők lehetnek:
- RC érzékelési elv (RC acquisition principle) A kapacitás adott ellenáláson keresztüli töltési és kisütési idejének változásán alapul. Mikor az elektródát megérintik, ez a idő megnő és a változás mérése alkalmas az érintés detektálására. Mikrokontrollerek beépített érintésvezérlési funkcióinál sok esetben találkozhatunk ezzel az elvvel, szoftveres úton történő idő és feszültségmérés (GPIO A/D konverter) szükséges hozzá.
- Töltés átviteli érzékelési elv (Charge transfer acquisition principle) A szenzor kapacitásban tárolt töltés egy detektáló kondenzátorba való impulzusszerű átvitelén alapuló módszer. A mintavételező ellenállás feszültségének egy adott határértékre emelkedéséhez szükséges töltés átviteli periódusok számából következtethetünk az elektróda kapacitására. Mikor az elektródát megérintik, annak kapacitása nő, nagyobb töltést tárolására lesz képes, ezáltal kevesebb töltési ciklus szükséges a mintavételező kondenzátor adott feszültségre való töltéséhez. Ez a módszer szintén elterjedt mikrokontrollerbe integrált érintésvezérlések esetén, ahol feszültségmérésre a kontroller analóg GPIO ( A/D konverter) bemeneteit használhatjuk
- ProxSenseTM Saját kapacitás mérési elv (Surface ProxSenseTM acquisition principle) Működési elvét tekintve megegyezik az előző módszerrel, de a teljes érzékelést dedikált hardver végzi, ami különlegesen nagy érzékenység elérését teszi lehetővé.
- ProxSenseTM kölcsönös kapacitás mérési elv (Projected ProxSenseTM acquisition principle) A módszer egy meghajtott és egy vevő elektróda közötti kapacitásban tárolt töltés mérésén alapul, melyet a töltéstranszfer elvéhez hasonlóan itt is mintavételező kondenzátor segítségével detektálunk. A közelítő ujj változtatja az elektródák közötti szigetelés dielektromos állandóját ezáltal csökkentve köztük a kapacitást. Az eredmény a mintavételező kondenzátor hosszabb töltési ideje (több töltési ciklus,) mely alkalmas az ujj jelenlétének detektálására.
A ProxSenseTM márkanév az Endrich által 2018-től képviselt délafrikai hightech vállalat, az Azoteq (Pty) Ltd tulajdona.
Egyszerű RC elvű érintésérzékelés mikrokontrollerrel
A legegyszerűbb RC elvű érintőgomb megoldást mikrokontrollerrel és a szoftveres időméréssel lehet megvalósítani. Amikor nem érintjük meg az elektródát, akkor annak kapacitása állandó (Cx), az R-C tag beállított határfeszültségre való feltöltődéshez szükséges idő t1. Ujj érintésekor a CT kapacitás párhuzamosan kapcsolódik az elektródakapacitáshoz, így az eredő kapacitásérték kb. 5 pF-al megemelkedik (C = Cx + CT) , a határfeszültség eléréséhez szükséges töltési/kisülési idő t2 lesz. A mérés során a táplálás felfutásakor induló timer méri a töltési időt addig, amíg a érzékelő lábon a feszültség elér egy küszöbértéket. A mérés elvégzésére könnyen konfigurálható szoftver könyvtárak állnak rendelkezésre. Az olcsó és egyszerű felépítés mellett a megoldás csak stabil földelés mellett üzembiztos.
A töltéstranszfer elv lényege a fenti ábrán követhető nyomon. A mikrokontroller analóg GPIO lábához kapcsolt érintő elektróda néhány 10 pF kapacitást képvisel (Cx – szenzor kapacitás). Az egyik kijelölt GPIO-hoz egy ennél több nagyságrenddel kisebb mintavételező kondenzátort kapcsolunk (Cs sampling kapacitás). A Cx kapacitás Vdd-re töltődik az SW1 bekapcsolásával, majd az ábrán látható logikai kapcsolók (SW5 és SW6) megfelelő szekvenciával való kapcsolásával töltésének egy része periodikusan átkerül a Cs kondenzátorba, melynek kimeneti feszültsége, melyet a GPIO port A/D átalakítóján keresztül a mikrokontroller mér, alapállapotban N ilyen ciklus után éri el a kijelölt határfeszültséget. Amennyiben érintést érzékel a szenzor, annak kapacitása megemelkedik, több töltést tárol, emiatt egységidő alatt több töltést is tud átáramoltatni a Cs kondenzátorba. Annak kimeneti feszültsége sokkal hamarabb (n<N periódus alatt) éri el a határfeszültséget. A Cs kondenzátor fesztültségét mérve és a töltéstranszfer periódusokat számlálva az érintés a mikrokontrollerrel így könnyen detektálható. Az SW1 , SW2, SW3 és SW4 logikai kapcsolók a kondenzátorok teljes feltöltését és kisütését végezhetik egy jól definiált alapállapot beállításához, míg a töltéstranszfert az SW5&SW6 végzik.
Hasonló elven működnek és egy fokkal magasabb integrálhatóságot biztosítanak a mikrokontrolleres rendszerek számára a kimondottan érintésérzékelési feladatra kifejlesztett célkontrollerek is, mint például a Holtek BS8xx sorozata. Ezek az eszközök már egy sor olyan funkcióval is rendelkeznek, amik nagyobb megbízhatósággal ruházzák fel az applikációt nehezebb környezeti feltételek mellett is, minimalizálják az energiafogyasztást és kis külső komponensigényű megoldást nyújtanak a host-mikrokonroller számára. A sorozat fejlettebb tagjai soros kommunikációra is képesek és dekódolt formában adják vissza az érintőgombok állapotjelzéseit. Ugyanezen az interfészen keresztül az MCU parancsokat is tud küldeni a touch kontroller számára, például kalibrálás során.
Azoteq ProxSense TM elvű érintésvezérlő kontrollerek
Magyarországon az Azoteq név nem tartozik az széleskörben ismert márkanevek közé, bár az általuk 2004 óta folyamatosan fejlesztett kapacitív közelítés- és érintésérzékelő megoldások számos itthon is kapható eszközökben megtalálhatóak. ProxSense TM technológiájuk felhasználva a világon a legérzékenyebb érintésvezérlőket kínálják, amelyek képesek akár 100 atto Farad (10-16 F) kapacitásváltozás érzékelésére is, miközben a jel-zaj viszony 1000:1. Ez 100 szoros érzékenység és 30 szoros jel-zaj viszony növekedést jelent a korábbi technonlógiákkal szemben.
Kétszintű érzékelés
Ez a különleges érzékenység az egyszerű érintőkapcsolóknál jóval összetettebb eszközök készítését teszi lehetővé. A legegyszerűbb egycsatornás saját kapacitás érzékelőik is kétlépcsős érzékelésre alkalmasak.
Miközben közelítünk az elektródához, először a közelítésérkelő (Proximity Output Pin) jelez, ami például automatikus megvilágításra használható, majd az érintéskor egy másik kimenet (Touch Output Pin) aktiválódik, mely a kívánt vezérlést végzi. Több csatornás változatokban a közelítés-érzékelés használható a vezérlő, vagy akár az egész eszköz kis fogyasztású alvó állapotból való felélesztésére is, mivel az érzékelők felprogramozhatóak úgy, hogy csak a közelítés érzékelő csatorna működjön, ezáltal csökkentve a rendszer fogyasztását.
Simító kapcsoló (Swipe Switch)
Három érzékelő elektródát egymás mellé téve egyszerű gesztus vezérlőt tudunk megvalósítani, ami egy adott irányú simítást érzékelve kapcsol. Ez a működés kézben tartott eszközöknél is lehetővé teszi az érintésvezérlés megvalósítását, mivel az egyszerű tartást és a kétirányú simítást képes egymástól megkülönböztetni.
Kerék és csúszka: folyamatos vezérlés (Wheel and Slider)
A többcsatornás kapacitásmérésen alapuló ProxSenseTM eszközök a folyamatos vezérlést is lehetővé teszik. Ha az érzékelők az ábrán látható módon helyezkednek el, az elektródákon érzékelt kapacitásváltozások arányából a vezérlőbe integrált mikrokontroller kiszámítja a kerék vagy csúszka pozíciót, amelynek abszolút értéke vagy változása numerikus értékkel kiolvasható.
Az ilyen eszközök széles körben használhatók funkcióválasztásra (pl mosógép program) vagy folyamatos szabályzásra (hangerő, fényerő). Az Azoteq 3, 7, 9, 12, 16 vagy több csatornás vezérlői rugalmasan programozhatóak, a csatornák feloszthatók diszkrét gombok, közelítés érzékelő, csúszkák és kör alakú érzékelő csoportokra, melyek akár saját kapacitás akár kölcsönös kapacitás elven működhetnek.
Érintő billentyűzet, érintőpad és gesztus pad vezérlők (Keypad, Trackpad, Gesture pad)
A 7..16 csatornás vezérlőkben megfelelő számú csatorna áll rendelkezésre billentyűzet vezérlő illetve érintőpad és gesztus pad vezérlő alkalmazásokhoz. Ha a vezérlő kölcsönös kapacitás elven működik és az elektródák mátrix szerű mitázatban vannak elhelyezve, az érzékelési pontok száma a sorok és oszlopok szorzata. Az aktuális érintési pozíciókat a meghajtó (Tx) elektródák léptetésével, és a vevő (Rx) elektródák szkennelésével lehet letapogatni.
Az éritést végző emberi ujj felülete több szomszédos csatornára hat, a ProxSense eljárás nagy érzékenységéből adódóan ezek közötti súlyozott átlagból az elektróda sűrűségnél nagyobb érintési pontosság határozható meg, ami lépcsőzetesség mentes mozdulatkövetést biztosít. A vezérlőkben egy és kétujjas gesztusfelismerés működik, ami kiválóan használható kreatív mozdulat vezérléses felhasználói interfész megvalósítására, emellett egyes pozíciókba akár dedikált érintőgombokat is lehet helyezni.
Egyujjas gesztusok:
- Simitás előre – Következő
- Simitás hátra – Előző
- Simitás fel – Hangosítás
- Simitás le – Halkítás
- Rövid érintés (tap) – Play/Pause
- Megérintés és tartás
Kétujjas gesztusok:
- Csiptető mozdulat – Nagyítás, kicsinyítés (Pinch & Zoom)
- Kétujjas görgetés
- Kétujjas seprés
- Kétujjas rövid érintés
Az Azoteq partnerei részére nem csak a vezérlő IC-ket, hanem változatos alakú és tulajdonságú professzionális gesztus érzékelő és touchpad modulokat is kínál, legyen szükség akár merev vagy hajlékony felületre, billenytyűzet mintára, vagy az érzékelőbe integrált visszajelző fények beépítésére. Ugyancsak megtalálhatóak a választékban a kész érintőpad modulok.
Érzékelés nagy vastagságú fa vagy üveg felület mögött
Az Azoteq IC-k érzékenysége lehetővé teszi az akár 11 mm vastag szigetelő anyagon (fán vagy üvegen) keresztül történő érzékelést. Ez a képesség nagy felbontással és nagy pontossággal párosul. Bútorokba, háztartási gépekbe, igényes burkolatok vagy vastag üveg mögé rejtett kapacitív kapcsolók szükségtelenné teszik a díszburkolat felületének lyukakkal vagy kivágásokkal történő megszakítását.
Kapacitív érzékelés fémfelületen, vagy vizes környezetben
Vezető felületen keresztül természetesen nem lehetséges kapacitív érzékelés, viszont lehetséges olyan struktúra létrehozása, ahol egy fémfelület minimális nyomás alkalmazásával bekövetkező alakváltozásával létrejövő kapacitásváltozás az érintésvezérléshez hasonló módon vezérlésre használható. Ha az érzékelő elektródákat tartalmazó PCB elé egy vékony (0.13 mm) szilárd kétoldalas ragasztóanyagot (szigetelőt), majd az elé egy vékony (<0.1 mm) rozsdamentes acéllemezt vagy egy a belső oldalán vezetőpasztával bevont műanyag lemezt (<0.3 mm) ragasztunk, az elektródák és a lemez között kapacitás jön létre.
Ez a kapacitás minimális erő (<100 gramm) hatására olyan mértékben változik meg, hogy az biztosan detektálható az Azoteq integrált áramköreivel. Az ilyen érintőfelületek vandálbiztos és csapadéknak kitett környezetben is használhatók, akár kaputelefonokban vagy zuhanykabinban való alkalmazásuk is lehetséges.
Támogatás
Az érzékelő elektródák tervezése nagy figyelmet és tapasztalatot kíván a fejlesztő mérnököktől. Az Endrich céggel együttműködve Európában az Azoteq széles körben támogatja partnerei tervezési tevékenységét referencia dizájn, konzultáció vagy kész tervek véleményezése terén. A vezérlők között egyszer programozható és újraprogramozható változatok is szerepelnek. A egyszeri költség és minimális darabonkénti árért cserébe az Azoteq az ügyfelei által tesztelt beállításokat beprogramozva tudja szállítani az áramköröket. Az Endrich és az Azoteq 2018 óta működik együtt. Érdeklődő partnereinket kérjük keressék az Endrich GmbH budapesti képviseletét.
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2019/4 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat 2019. (28. évf) 4. sz. |
| 2 | Elektronet online | Kapacitív érintésvezérlés |
| 3 | English version | Capacitive touch control |
| 4 | Jövő Gyára online | Kapacitív érintésvezérlés |
| 5 | Jövő Gyára 2019/5 | 2019. (5.évf.) 2.sz. 30-33.o. |
| 6 | Magyar Elektronika online | Kapacitív érintésvezérlés |
| 7 | Magyar Elekktronika 2019/3 | 2019. 3.sz. 45-49.o. |