MSP430電容觸摸轉(zhuǎn)輪和LED PWM輸出設(shè)計

 摘要

本應(yīng)用文檔介紹了使用MSP430 微控制器實現(xiàn)電容觸摸轉(zhuǎn)輪和多路獨立LED 的PWM 軟件驅(qū)動技術(shù)。方案通過4 路I/O 端口實現(xiàn)電容觸摸轉(zhuǎn)輪控制， I/O 端口配合三極管驅(qū)動LED, 實現(xiàn)LED 呼吸、軌跡燈等效果。本方案為需要電容觸摸轉(zhuǎn)輪控制和 LED 跟蹤顯示等絢麗燈效的產(chǎn)品提供了有效的低成本方案。

簡介

電容觸摸技術(shù)作為一種實用、時尚的人機交互方式，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到各種電子產(chǎn)品，小到電燈開關(guān)，大到平板電腦、觸摸桌等。隨之而來的是考驗產(chǎn)品設(shè)計者如何發(fā)揮智慧，在把產(chǎn)品用戶界面設(shè)計得方便簡潔的同時，又能呈現(xiàn)產(chǎn)品絢麗的外觀，從而帶來良好的用戶體驗。

LED 顯示由于界面友好，可以實時反映觸摸的位置信息，在電容觸摸產(chǎn)品設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計正是利用了大量的LED 來實現(xiàn)呼吸燈、軌跡燈的特效，可以為例如燈光、音量、溫度等帶有調(diào)節(jié)功能的產(chǎn)品提供設(shè)計參考。

德州儀器的MSP430 系列單片機以低功耗和外設(shè)模塊的豐富性而著稱，而針對電容觸摸應(yīng)用，MSP430 的PIN RO 電容觸摸檢測方式支持IO 口直接連接檢測電極，不需要任何外圍器件，極大的簡化了電路設(shè)計，而本設(shè)計文檔中使用的MSP430G2XX5 更支持多達 32 個IO 口，可驅(qū)動24 個以上的LED 燈，達到理想的顯示效果。

1. 電容觸摸轉(zhuǎn)輪實現(xiàn)方案

MSP430 電容觸摸轉(zhuǎn)輪方案通過4 個IO 口完成4 個通道的電容檢測，配合特殊的電極圖形，就可實現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計。

1.1 電容觸摸實現(xiàn)原理

MSP430 根據(jù)型號的不同支持多種電容觸摸檢測方式，有RC 震蕩、比較器、PIN RO，本設(shè)計使用的是PIN Relaxation Oscillator 方式，原理如圖1，芯片管腳內(nèi)部檢測電路由施密特觸發(fā)器、反向器，以及一個電阻組成，震蕩信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器變成脈沖信號，再通過反向器反饋回RC 電路，通過Timer_A對施密特觸發(fā)器的輸出進行記數(shù)，再通過設(shè)置測量窗口Gate 獲得記數(shù)的結(jié)果。當(dāng)手指觸摸電極，電極上的C 產(chǎn)生變化，導(dǎo)致震蕩頻率改變，這樣在定長的測量窗口就能獲得不同的記數(shù)結(jié)果，一旦差值超過門限，結(jié)合一定的濾波算法判斷就可以觸發(fā)觸摸事件。

圖 1 PIN RO 原理圖

1.2 轉(zhuǎn)輪算法

將4 個按鍵電極按照圖2 鋸齒狀交叉就形成了一個轉(zhuǎn)輪的電極，轉(zhuǎn)輪的大小根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的需要可進行適當(dāng)?shù)目s放，圖 2 的圖形設(shè)計適合30mm 左右直徑的轉(zhuǎn)輪。

圖 2 轉(zhuǎn)輪電極設(shè)計

當(dāng)用戶在轉(zhuǎn)輪上操作的時候，在手指對應(yīng)位置的電極會獲得最高的信號值，手指臨近的通道會有相對高的信號值，離手指最遠的通道檢測到的信號值最小，如圖 3 所示：

圖 3 手指觸摸時不同電極上測量到的信號值

這時可以利用不同通道上信號值的不同計算出手指在轉(zhuǎn)輪或滑條上的位置。位置計算步驟如下：

a. 用排序方法找出4 個電極中信號最大的電極

index = Dominant_Element(groupOfElements, &measCnt[0]);

b. 將找到的這個電極的信號加上相鄰電極的信號

position = measCnt[index] + measCnt[index+1] + measCnt[index-1];

相加后的結(jié)果如果大于門限，就認(rèn)為有觸摸事件產(chǎn)生，繼續(xù)后續(xù)的位置計算。把前后信號相加的原因是手指在操作的過程中有可能處于兩個電極中間，這樣兩個電極上得到的信號都不會很高，需要把信號相加才可以與門限做比較。

c. 計算位置坐標(biāo)時先根據(jù)篩選出的index 值得到一個大約的位置，再根據(jù)index 的相鄰電極信號強度進行修正，得到最后的坐標(biāo)值

position = index*(groupOfElements->points/groupOfElements->numElements);

position += (groupOfElements->points/groupOfElements->numElements)/2;

position += (measCnt[index+1]*(groupOfElements->points/groupOfElements->numElements))/100;

position -= (measCnt[index-1]*(groupOfElements->points/groupOfElements->numElements))/100;

d. 針對index 為0 或者3 的情況代碼需要另外處理，不過計算方法和上述是一致的。

這里轉(zhuǎn)輪的分辨率，即轉(zhuǎn)輪一圈分為多少個段是根據(jù)points 設(shè)定的，假設(shè)用戶只需要區(qū)分24 個位置，就可以設(shè)points 為24，當(dāng)然也可以設(shè)為64，128，甚至更高，這取決于轉(zhuǎn)輪的大小，電極圖形的設(shè)計以及電極的多少，例如需要類似1024 這種高精度，需要增加電極數(shù)從4 個到8 個或者更多。

2. LED PWM 驅(qū)動方案實現(xiàn)

要實現(xiàn)LED 呼吸的效果，就要求LED 進行PWM 調(diào)光，而要實現(xiàn)軌跡燈的效果，每一路LED必須是獨立的PWM 控制。

本應(yīng)用由于使用了24 個LED 燈，需要24 路的PWM 輸出控制，MSP430G2955 有32 個IO口，通過IO 口配合TIMER 定時器，足夠支持24 路的軟件PWM 輸出。

3. 設(shè)計實例

本實例采用德州儀器MSP430G2955 ，通過6 個IO 完成電容觸摸檢測，24 個IO 驅(qū)動24路LED，并預(yù)留了通訊口。設(shè)計實例如圖 4

圖 4 實例演示圖

3.1 電路設(shè)計

原理圖設(shè)計如圖 4, MCU 通過一個5V 轉(zhuǎn)3.3V 的LDO 給VCC 供電，使用LDO 的目的是為了保證電源的穩(wěn)定，讓觸摸電路在檢測信號時不會因為電源的噪聲產(chǎn)生過大的信號偏差。電極上串的電阻作為ESD 保護器件，如果在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的情況下可以省去。電路中預(yù)留了UART 口與主控系統(tǒng)通訊。

圖 5 MCU 電路

LED 驅(qū)動部分電路如圖 5, 由于每一個LED 的電流在10mA 左右，24 個LED 如果同時亮就有240mA，無法通過MCU IO 口直接驅(qū)動，在每個LED 上加一個三極管以及限流電阻，實現(xiàn)24路LED 的控制。

圖 6 LED 驅(qū)動電路

3.2 代碼設(shè)計

3.2.1 LED驅(qū)動

在編寫代碼控制LED 點亮?xí)r序前，先定義好PWM 輸出相關(guān)的規(guī)格：

• PWM 輸出占空比設(shè)置為50%。

• 頻率為5K Hz, 亮度的等級分為24 級，0 級的時候關(guān)閉LED， 23 的時候最亮。

• 使用2個TIMER 進行PWM 輸出的控制

• TIMERA0 中斷頻率為24 X 5K Hz = 120K Hz.

• TIMERB中斷間隔設(shè)為10ms，在TIMERB 中進行LED 亮度等級的改變

通過兩個TIMER 的中斷配合，就可以完成24 路獨立PWM 輸出的控制。當(dāng)有觸摸事件產(chǎn)生時，根據(jù)觸摸位置對對應(yīng)的LED 進行亮度等級賦值，然后在TIMERB 的中斷中讓亮度等級慢慢減少至零，這樣就可以實現(xiàn)手指離開電極后，對應(yīng)LED 慢慢變暗的效果。

在兩個TIMER 中斷里的程序流程圖如下圖 7 和圖 8

圖 7 TIMERB 流程圖

圖 8 TIMERA0 流程圖

3.2.2 轉(zhuǎn)輪

德州儀器的電容觸摸軟件庫支持電容按鍵的信號檢測以及轉(zhuǎn)輪坐標(biāo)的計算，通過軟件庫相關(guān)參數(shù)的配置以及函數(shù)的調(diào)用就可以得到當(dāng)前觸摸事件的位置值，可以參考德州儀器的觸摸按鍵軟件庫( www.ti.com/capacitivetouch )獲得詳細(xì)介紹。

當(dāng)用戶在轉(zhuǎn)輪上做滑動操作，LED 的軌跡顯示應(yīng)該是N 個燈同時被點亮，手指所在位置的燈最亮，之前滑過的軌跡上的燈一個比一個暗，N 的數(shù)值由操作者滑動的速度決定，如果滑的速度夠快，24 個LED 燈會同時被點亮，只是亮度不同。

在滑動很快的操作時會帶來一個問題，電容按鍵掃描的周期跟不上滑動的速度，導(dǎo)致坐標(biāo)的變化不是連續(xù)的，結(jié)果就是LED 的軌跡不連貫，在連續(xù)的N 個LED 中有部分沒有被點亮。為了解決這個問題需要在轉(zhuǎn)輪坐標(biāo)計算后加入一個插值算法，在用戶操作過快的時候?qū)Ρ宦┑舻淖鴺?biāo)進行補值，使得LED 的軌跡連續(xù)。

插值的方法可以通過當(dāng)前位置和上一次位置的比較，決定是否要進行插值，這里需要設(shè)置一個插值門限InterpolationThreshold，當(dāng)位置跳動距離超過門限就不進行插值，反正誤操作產(chǎn)生。

if((WheelPosition-LastPosition) {

for (j=1;j<=(WheelPosition-LastPosition+1);j++)

{

SetLightLevel(LastPosition+j);

}

}

除此之外，還需要對兩個特殊情況做處理，及正向和反向滑動操作經(jīng)過轉(zhuǎn)輪坐標(biāo)0 點。

4. 總結(jié)

本文介紹了使用MSP430G 系列單芯片實現(xiàn)電容觸摸轉(zhuǎn)輪和24 路獨立PWM 輸出LED 控制方案，在一些需要低成本的產(chǎn)品設(shè)計，又要對多種LED 特效控制的場合，有很大的使用價值。