Czujniki dotykowe bezstykowe Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Czujniki dotykowe Do niedawna należały do najczęściej stosowanych Dotykowe czujniki rezystancyjne Do niedawna należały do najczęściej stosowanych Wykorzystują pomiar rezystancji - rozwiązania: 4-przewodowe (4-wire), 5-przewodowe (5-wire) oraz 6-przewodowe (6-wire) Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dotykowe czujniki rezystancyjne Czujnik 4-przewodowy składa się że sztywnego podłoża pokrytego warstwą przeźroczystej substancji oporowej ITO będącej związkiem indu, cyny i tlenu oraz elastycznej membrany, również pokrytej taką samą warstwą oporową. Podłoże i membrana przy braku nacisku nie stykają się ze sobą. W momencie dotknięcia obwód zostaje zamknięty. Kontroler ekranu dotykowego mierzy wówczas oporności między dwoma przeciwległymi krańcami podłoża, wykorzystując membranę jako próbnik, a następnie – rozkład oporności na membranie w kierunku prostopadłym do poprzedniego, jako próbnika używając podłoża. Porównanie stosunków oporności pozwala określić współrzędne punktu dotknięcia. Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dotykowe czujniki rezystancyjne W wersji 5-przewodowej rolę próbnika pełni zawsze membrana, a pomiar rozkładu oporności dokonywany jest zawsze na podłożu – najpierw między elektrodami umieszczonymi wzdłuż pionowych, a potem poziomych boków ekranu. Zalety: niska cena możliwość aktywowania dowolnym przedmiotem, może być to równie dobrze palec, jak i długopis czy rysik wykonany z dowolnego materiału wysoka dokładność. Wady: niska żywotność (ok. 35 mln dotknięć) pogorszona przezroczystość (82…85%) Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Zasada działania czujnika pojemnościowego Dotykowe czujniki pojemnościowe Zamiast membrany jest sztywna, nie przewodząca warstwa ochronna (np. płyta szklana) Zasada działania czujnika pojemnościowego Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Znakomita dokładność Dotykowe czujniki pojemnościowe Zalety: Znakomita dokładność Wysoka przepuszczalność światła (88…92%) Odporność na uderzenia i zarysowania, ciecze Długa żywotność (ok. 225 mln dotknięć) Wady: Niemożność aktywowania za pomocą izolatora (np. rękawiczki) Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dotykowe czujniki SAW (surface acoustic wave) Fale akustyczne o częstotliwości 5 MHz, wytwarzane przez nadawcze elementy piezoelektryczne umieszczone w przeciwległych narożnikach matrycy, rozchodzą się w szklanym pokryciu ekranu, po czym odbijają się od elementów zwanych reflektorami i trafiają do piezoelektrycznych odbiorników Dotknięcie powierzchni zaburza rozchodzenie się fal i częściowe pochłonięcie energii Określenie punktu dotknięcia dokonywane jest przez pomiar zmiany amplitudy fali odbitej Zalety: wysoka odporność na zadrapanie długa żywotność przepuszczalność ok. 90% Wady: wysoka wrażliwość na ciecze brak możliwości aktywacji przy pomocy izolatora Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dotykowe czujniki SAW (surface acoustic wave) Zasada działania ekranu z akustyczną falą powierzchniową SAW Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dotykowe czujniki wykorzystujące promieniowanie podczerwone Diody podczerwieni (nadawcze) umieszczone są na dwóch prostopadłych krawędziach ekrany a diody odbiorcze – na krawędziach przeciwległych Kolejne, odpowiadające sobie, pary diod nadawczych i odbiorczych uruchamiane są cyklicznie, z dużą prędkością. Przesłonięcie któregoś z poziomych i pionowych promieni pozwala na określenie miejsca dotknięcia Zalety: wysoka przenikalność (>90%) możliwość aktywacji dowolnym przedmiotem Wady: wysoka wrażliwość na zabrudzenia wysoka wrażliwość na światło Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dotykowe czujniki wykorzystujące promieniowanie podczerwone Zasada działania ekranu dotykowego działającego z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dotykowe czujniki NFI (ang. Near Field Imaging) z pomiarem zaburzeń pola elektrostatycznego Ekran zbudowany jest z dwóch laminowanych tafli szkła oraz z przezroczystej warstwy obwodu elektrycznego (w postaci napylonej substancji ITO na wewnętrznej stronie jednej ze szklanych płyt) Do obwodu ITO doprowadzone jest napięcie przemienne celem wytworzenia pola elektrostatycznego na powierzchni membrany dotykowej. Dotknięcie pola jakimkolwiek przedmiotem wywołuje zaburzenia, na podstawie których kontroler określa miejsce dotknięcia Zalety: wysoka przezroczystość (>90%) duża odporność na uszkodzenia mechaniczne wysoka odporność na zabrudzenia, wibracje, chemikalia Wady: wysoka cena Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dotykowe czujniki NFI (ang. Near Field Imaging) z pomiarem zaburzeń pola elektrostatycznego Zasada działania ekranu dotykowego wykonanego w technologii NFI Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Zygmunt Kubiak 12-2015

Aktualnie najbardziej popularne są czujniki pojemnościowe Czujniki dotykowe Aktualnie najbardziej popularne są czujniki pojemnościowe Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dostępne są dwie drogi: Aktualnie zaczynają dominować technologie pojemnościowe Dostępne są dwie drogi: scalone kontrolery pojemnościowych klawiatur i nastawników różnego typu biblioteki do klawiatur pojemnościowych, dostarczane przez producentów mikrokontrolerów ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Dostępne są dwie drogi: Aktualnie zaczynają dominować technologie pojemnościowe Dostępne są dwie drogi: scalone kontrolery pojemnościowych klawiatur i nastawników różnego typu biblioteki do klawiatur pojemnościowych, dostarczane przez producentów mikrokontrolerów ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Kontroler jednokanałowy Schemat aplikacyjny układu PCF8883 (f. NXP) Kontroler jednokanałowy Wejście „Type” określa tryb pracy układu Wejście „CPC” ustala czułość wejścia pojemnościowego Wejście „CLIN” ustala szybkość próbkowania Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Kontroler jednokanałowy Schemat aplikacyjny układu PCF8883 (f. NXP) Kontroler jednokanałowy Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Kontroler jednokanałowy Tryby pracy Schemat aplikacyjny układu PCF8883 (f. NXP) Kontroler jednokanałowy Tryby pracy Układ zawiera autokalibrator, który zapobiega nieprawidłowemu działaniu układu pod wpływem zmian wilgotności, temperatury i wymiarów lub kształtu czujnika Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe Kontroler jednokanałowy Schemat aplikacyjny układu PCF8883 (f. NXP) Kontroler jednokanałowy Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Technologia AKS (ang. Adjacent Key Suppression) firmy Atmel AKS powstała na podstawie opracowań ang. firmy Quantum Research Group, która wprowadziła na rynek kilka rodzin kontrolerów klawiatur pojemnościowych: QTouch - do obsługi pojedynczych przycisków QMatrix – do obsługi matryc przycisków QWheel/QSlide – do obsługi nastawników obrotowych i suwakowych Atmel w ramach AKS wprowadził kilka nowych udoskonalonych opracowań dla obecnych wymagań Układy czujnikowe AKS automatycznie adaptują się do zmieniających się warunków otoczenia (np. wilgotność, temperatura, starzenie dielektryka) Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Technologia AKS (ang. Adjacent Key Suppression) firmy Atmel Schemat aplikacyjny czujnika z rodziny AT42QT101x, obsługującego pojedynczy przycisk. Układy z tej serii mogą pracować jako przełącznik z ograniczeniem maksymalnego czasu „naciśnięcia” (AT42QT1010), bez takiego ograniczenia (AT42QT1011) oraz przełącznik bistabilny (AT42QT1012) Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Układ QT1040 – zawiera wyjścia do sterowania LED Technologia AKS (ang. Adjacent Key Suppression) firmy Atmel Układ QT1040 – zawiera wyjścia do sterowania LED Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Technologia AKS (ang. Adjacent Key Suppression) firmy Atmel Układy obsługujące wiekszą liczbę „przycisków” wyposażane są w interfejsy SPI, I2C ale są również z UART QT60326/486 Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Firma STMicroelectronics w swoich rozwiązaniach sterowników klawiatur zastosowała technologię DigiSensor, opracowaną przez koreańską firmę ATLab a STM nazwaną STouch W ofercie STM znalazły się kontrolery wielowejściowych klawiatur zintegrowane z ekspanderami I/O W serii z sufiksem PX oprócz standardowych funkcji układów pojemnościowych wyposażonych w wyjścia LED wyposażono je w czujniki zbliżeniowe Wszystkie układy są wyposażone w interfejs I2C W ofercie znajdują się również układy wyposażone dodatkowo w wyjścia PWM Układy wyposażono w zaawansowane systemy kalibracji i kompensacji zmian parametrów otoczenia – ułatwia to dostosowanie czułości poszczególnych kanałów do wymagań aplikacji Konfigurowalne są cztery mechanizmy: AFS (ang. Advanced Data Filtering), ETC (ang. Environment Tracking Calibration), TVR (ang. Touch Variance) i EVR (ang. Environmental Variance) Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Układ STM8T141 - układ podstawowy Firma STMicroelectronics w swoich rozwiązaniach sterowników klawiatur zastosowała technologię DigiSensor, opracowaną przez koreańską firmę ATLab a STM nazwaną STouch Układ STM8T141 - układ podstawowy Układ wyposażono w pamięć OTP (programowaną przez użytkownika), przeznaczoną do konfiguracji układu, m.in.: częstotliwość próbkowania, tryb oszczędzania energii, konf. detektora zbliżeniowego itp.) Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Układ STM8T141 – schemat blokowy Firma STMicroelectronics w swoich rozwiązaniach sterowników klawiatur zastosowała technologię DigiSensor, opracowaną przez koreańską firmę ATLab a STM nazwaną STouch Układ STM8T141 – schemat blokowy Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Firma Freescale od kilku lat produkują kontrolery klawiatur serii MPR08x MPR08x wyposażone są w interfejs I2C i mogą obsługiwać nastawniki obrotowe do 8 pozycji, klawiatury do 20 przycisków Nowością są: układy MPR031/032, przystosowane do obsługi dwóch lub trzech pól przyciskowych, interfejs I2C – bardzo prosty schemat aplikacyjny układ MPR121, wyposażony w udoskonalony detektor zbliżenia palca i możliwość sterowania LED Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Firma Freescale Zygmunt Kubiak 12-2015 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 12-2015

Czujniki dotykowe Zasada działania Zygmunt Kubiak 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Microchip – mTouch Elementy składowe mTouch Sensing Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Microchip – mTouch Budowa czujnika dotykowego Zmiana pojemności po dotknięciu Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Microchip – mTouch mTouch wykorzystuje rozwiązanie oscylatora relaksacyjnego Wzrost pojemności powoduje spadek częstotliwości, co wynika ze wzrostu stałej czasowej Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Microchip – mTouch mTouch wykorzystuje rozwiązanie oscylatora relaksacyjnego Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Microchip – mTouch mTouch wykorzystuje rozwiązanie oscylatora relaksacyjnego Pomiar częstotliwości oscylacji za pomocą timerów Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Microchip – mTouch mTouch wykorzystuje rozwiązanie oscylatora relaksacyjnego Algorytm procedury przerwaniowej do obsługi sensorów pojemnościowych average, raw - zmienne trip - stała Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Microchip – mTouch mTouch wykorzystuje rozwiązanie oscylatora relaksacyjnego Ewolucją „mTouch” jest rozwiązanie, wyposażone w Charge Time Measurement Unit (CTMU) zapewniające dokładniejszą metodę pomiarową CTMU jest dostępny jako moduł sprzętowy w nowych mikrokontrolerach PIC Schemat blokowy CTMU Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma STMicroelectronics Zbliżenie palca do pola czujnikowego („naciśnięcie” przycisku) wydłuża czas ładowania pojemności referencyjnej co jest wykrywane za pomocą timerów Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma STMicroelectronics Dla mikrokontrolerów STM8 opracowano biblioteki do obsługi klawiatur bezstykowych, wykorzystujące dwa timery odmierzające odcinki czasu t1/t1’ oraz t2/t2’ Generowanie przebiegów ładowania i rozładowania pojemności referencyjnej zostało również zmodyfikowane aby zwiększyć pewność działania czujnika przy zmianach warunków występujących w otoczeniu (wilgotność, temperatura, grubość naskórka itp.) Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma STMicroelectronics Aby zwiększyć pewność działania, programista korzystający z bibliotek może zmodyfikować jeszcze jeden parametr a mianowicie liczbę poprawnych wyników, niezbędnych do wykrycia zbliżenia palca do pola czujnikowego – przypomina to działanie procedury filtrującej drgania styków w klawiaturach mechanicznych Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma STMicroelectronics Rozwiązanie sprzętowe korzystające z bibliotek dla „przycisków” pojemnościowych („Touch Sensing Library”) Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Konstrukcja czujnika pojemnościowego realizowanegona płytce drukowanej – palec zakłóca pole elektryczne Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Generator relaksacyjny na bazie komparatora Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Metoda pomiaru częstotliwości WDT pracuje w trybie generatora, tworząc okno pomiarowe, w którym wyznaczana jest częstotliwość badanego sygnału Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 System wielo-czujnikowy wykorzystujący komparator Zygmunt Kubiak Texas Instruments SLAA363A 2007 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Metoda pomiarowa z rozładowaniem kondensatora Zygmunt Kubiak Texas Instruments SLAA363A 2007 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Metoda pomiarowa z rozładowaniem kondensatora Zygmunt Kubiak Texas Instruments SLAA363A 2007 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Metoda pomiarowa z rozładowaniem kondensatora Rozwiązanie wieloczujnikowe Zygmunt Kubiak Texas Instruments SLAA363A 2007 12-2015

Czujniki dotykowe - działanie Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Metoda pomiarowa z ładowaniem/rozładowaniem kondensatora Zaletą tej metody jest możliwość pomiaru każdego z czujników w dwóch kierunkach Zygmunt Kubiak Texas Instruments SLAA363A 2007 12-2015

Dziękuję Zygmunt Kubiak 05-2015