Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska
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 2 12-2015
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 3 12-2015
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 4 12-2015
Dotykowe czujniki pojemnościowe Zamiast membrany jest sztywna, nie przewodząca warstwa ochronna (np. płyta szklana) Zasada działania czujnika pojemnościowego Zygmunt Kubiak 5 12-2015
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 6 12-2015
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 7 12-2015
Dotykowe czujniki SAW (surface acoustic wave) Zasada działania ekranu z akustyczną falą powierzchniową SAW Zygmunt Kubiak 8 12-2015
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 9 12-2015
Dotykowe czujniki wykorzystujące promieniowanie podczerwone Zasada działania ekranu dotykowego działającego z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego Zygmunt Kubiak 10 12-2015
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 11 12-2015
Dotykowe czujniki NFI (ang. Near Field Imaging) z pomiarem zaburzeń pola elektrostatycznego Zasada działania ekranu dotykowego wykonanego w technologii NFI Zygmunt Kubiak 12 12-2015
Zygmunt Kubiak 13 12-2015
Zygmunt Kubiak 14 12-2015
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 15 12-2015
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 16 12-2015
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 17 12-2015
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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 18 12-2015
Schemat aplikacyjny układu PCF8883 (f. NXP) Kontroler jednokanałowy Zygmunt Kubiak 19 12-2015
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 20 12-2015
Schemat aplikacyjny układu PCF8883 (f. NXP) Kontroler jednokanałowy ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 21 12-2015
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) ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 22 12-2015
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) ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 23 12-2015
Technologia AKS (ang. Adjacent Key Suppression) firmy Atmel Układ QT1040 zawiera wyjścia do sterowania LED ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 24 12-2015
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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 25 12-2015
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) ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 26 12-2015
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.) ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 27 12-2015
Firma STMicroelectronics w swoich rozwiązaniach sterowników klawiatur zastosowała technologię DigiSensor, opracowaną przez koreańską firmę ATLab a STM nazwaną STouch Układ STM8T141 schemat blokowy ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 28 12-2015
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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 29 12-2015
Firma Freescale ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Zygmunt Kubiak 30 12-2015
Zasada działania Zygmunt Kubiak 31 12-2015
Firma Microchip mtouch Elementy składowe mtouch Sensing ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Zygmunt Kubiak 32 12-2015
Firma Microchip mtouch Budowa czujnika dotykowego Zmiana pojemności po dotknięciu ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Zygmunt Kubiak 33 12-2015
Firma Microchip mtouch mtouch wykorzystuje rozwiązanie oscylatora relaksacyjnego Wzrost pojemności powoduje spadek częstotliwości, co wynika ze wzrostu stałej czasowej ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Zygmunt Kubiak 34 12-2015
Firma Microchip mtouch mtouch wykorzystuje rozwiązanie oscylatora relaksacyjnego ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Zygmunt Kubiak 35 12-2015
Firma Microchip mtouch mtouch wykorzystuje rozwiązanie oscylatora relaksacyjnego Pomiar częstotliwości oscylacji za pomocą timerów ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Zygmunt Kubiak 36 12-2015
Firma Microchip mtouch mtouch wykorzystuje rozwiązanie oscylatora relaksacyjnego Algorytm procedury przerwaniowej do obsługi sensorów pojemnościowych average, raw - zmienne trip - stała ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Zygmunt Kubiak 37 12-2015
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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Zygmunt Kubiak 38 12-2015
Firma STMicroelectronics Zbliżenie palca do pola czujnikowego ( naciśnięcie przycisku) wydłuża czas ładowania pojemności referencyjnej co jest wykrywane za pomocą timerów ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 Zygmunt Kubiak 39 12-2015
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.) ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 Zygmunt Kubiak 40 12-2015
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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 Zygmunt Kubiak 41 12-2015
Firma STMicroelectronics Rozwiązanie sprzętowe korzystające z bibliotek dla przycisków pojemnościowych ( Touch Sensing Library ) ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 Zygmunt Kubiak 42 12-2015
Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Konstrukcja czujnika pojemnościowego realizowanegona płytce drukowanej palec zakłóca pole elektryczne ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 Zygmunt Kubiak 43 12-2015
Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Generator relaksacyjny na bazie komparatora ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 Zygmunt Kubiak 44 12-2015
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 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 i 6/2010 Zygmunt Kubiak 45 12-2015
Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 System wielo-czujnikowy wykorzystujący komparator Texas Instruments SLAA363A 2007 Zygmunt Kubiak 46 12-2015
Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Metoda pomiarowa z rozładowaniem kondensatora Texas Instruments SLAA363A 2007 Zygmunt Kubiak 47 12-2015
Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Metoda pomiarowa z rozładowaniem kondensatora Texas Instruments SLAA363A 2007 Zygmunt Kubiak 48 12-2015
Firma Texas Instruments Klawiatury pojemnościowe dla MSP430 Metoda pomiarowa z rozładowaniem kondensatora Rozwiązanie wieloczujnikowe Texas Instruments SLAA363A 2007 Zygmunt Kubiak 49 12-2015
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 Texas Instruments SLAA363A 2007 Zygmunt Kubiak 50 12-2015
Zygmunt Kubiak 51 05-201 5