Jste zde

Citlivé měření kapacity s mikrokontrolery Cypress PSoC

Vlastimil Píč, 23. Duben 2008 - 15:44

Obvody PSoC mají variabilní architekturu s konfigurovatelnými analogovými a digitálními bloky, které dovolují požít obvod i pro rychlé a citlivé měření kapacity například ve snímačích hladiny, bezkontaktních klávesnicích, čidlech a podobně. Rychlé vytvoření aplikace s použitím CapSence si můžete vyzkoušet na workshopu pořádaném 6.května v Praze.

Obvody PSoC obsahují konfigurovatelné analogové a digitální bloky řízené 8 bitovým mikrokontrolerem na stejném čipu, což dovoluje jednak snadnou rekonfiguraci a pak také úsporu součástek a místa na desce. Mají až 32 KB paměti Flash a až 2 KB paměti SRAM, hardwarovou násobičku 8x8 s volitelným přičítáním výsledku do 32bitového akumulátoru, monitorování napájení, sleep a watchdog časovače, podporu I2C komunikace na čipu a další zajímavé vlastnosti. Zajímavou volbou je použití zvyšujícího měniče napětí, který dovoluje použít k napájení PSoC napětí od 1 V.

 

Struktura mikrokontroleru PSoC
Obr.1 - Struktura mikrokontroleru PSoC
 

Snadno použitelné vývojové nástroje dovolují při vývoji vybírat konfigurační moduly z přehledně dokumentovaných knihoven. K dispozici jsou konfigurace pro analogové funkční bloky (zesilovače, A/D a D/A převodníky, filtry, komparátory atd.) a pro digitální bloky funkce jako čítače, PWM, USB, SPI, IrDA, UARTy a další. Analogová část obvodů PSoC má rail-to-rail vstupy, zesilovače s programově nastavitelným zesílením a až 14 bitové A/D s výjimečně nízkým šumem, malým vstupním proudem a napěťovým offsetem.

Dva typy analogových bloků a jejich použití
Obr.2 - Dva typy analogových bloků a jejich použití


Digitální bloky a jejich použití
Obr.3 - Digitální bloky a jejich použití
 

Unikátní flexibilita PSoC zkracuje čas potřebný pro vývoj a umožňuje dodatečné změny a vylepšení i po uvedení produktu na trh. Všechny PSoC obvody jsou dynamicky rekonfigurovatelné což dovoluje měnit funkci vnitřních bloků za chodu programu a využívat je například jako A/D a v další části jako zesilovač, integrátor, usměrňovač či analogový filtr se spínanými kapacitami a podobně. PSoC obvod může integrovat více než 100 periferních funkcí, což zkrátí vývoj, zmenší potřebnou plochu desky a sníží výsledný příkon produktu. Výsledná cena tak vyjde až o 150 Kč levněji.


Obr.4 - Produkt se standardními součástkami a s PSoC
 

Bezkontaktní klávesnice a senzory

 

Zajímavou oblastí použití obvodů PSoC jsou aplikace s měřením kapacity, například bezkontaktní klávesnice, dotykové plochy a lišty, snímače přiblížení nebo kapacitní snímače hladiny. Toto použití obvodů PSoC nese označení CapSense™. Část obvodu může být nakonfigurována pro měření kapacity a čítač pak měří jak dlouho trvá nabití této měřené kapacity tj. kapacity obrazce plošného spoje vedeného k pinům mikrokontroleru. Lze tak měřit kapacity desítek pF s uváděnou citlivostí 0,2 pF. Těmito způsoby lze detekovat např. dlaň ruky na vzdálenost 10 cm. Detekce doteku/přiblížení nad určenou oblastí čelního panelu z nevodivého materiálu o tloušťce 6 mm není problém. Citlivost a další vlastnosti bloku CapSense se nastavují čtyřmi parametry (prahová úroveň změny stavu, hystereze, klidová kapacita,…) ve vývojovém prostředí. Díky analogovému multiplexeru s mnoha vstupy může PSoC měřit kapacitu řady tlačítek – každé je připojeno k jednomu pinu pouzdra. PSoC cyklicky měří kapacitu motivů na určených pinech. Měření jednoho kanálu zabere 150 us.


Obr.5 - Změna kapacity


Obr.6 - Schema metody CapSense Delta-Sigma -SCD
 

Deska plošných spojů s motivem tlačítek a dotykových lišt se nalepí pod čelní panel na který se tlačítka vyznačí - nakreslí. Klávesnici pak tvoří homogenní deska bez otvorů. Odpadá problém s mechanickým opracováním, s opotřebením a spolehlivostí kontaktů, odolností vůči prachu a vnějším vlivům i odolností proti elektrostatickým výbojům.


Obr.7 - MP3 přehrávač iPOD používá PSoC CapSense



Obr.8 - Řešení ovládacího panelu iPOD s PSoC
 

Vývojová prostředí PSoC (Designer i Express) obsahují hotová konfigurační makra (uživatelské moduly) pro CapSense včetně knihoven API a zdrojových kódů pro assembler i jazyk C, a grafické uživatelské konfigurační rozhraní. Návrh aplikace kapacitní klávesnice nebo detektoru přiblížení je pak rychlá a jednoduchá záležitost. Doporučení pro návrh CapSence aplikace jsou dobře zpracovaná v aplikačních poznámkách dostupných na webu Cypress.com.

Převodní charakteristika metody SCA
Obr.9 - Převodní charakteristika metody SCA

Převodní charakteristika metody SCD
Obr.10 - Převodní charakteristika metody SCD
 

Technické parametry PSoC optimalizovaných pro CapSense



Tab.1 - Vlastnosti mikrokontrolerů PSoC uzpůsobených pro implementaci CapSense
 

Konkrétně nejmenší obvody CY8C201X0 a CY8C201X2 mají až deset analogových či obecně použitelných V/V pinů (GPIO) pro implementaci kombinace tlačítek, dotykových lišt a funkcí jako je řízení LED indikace a vstupů přerušení. Pro bateriové aplikace je obvod zajímavý malým příkonem 1 mA a ve sleep modu 2,6 uA.

 


Obr.11- ISSP Programator PSoC MiniProg

Široký rozsah napájecích napětí od 2,4 V do 5,25 V a teplotní rozsah od -40° C do +85° C. Paměť Flash velikosti 2 kB a rozhraní I2C na čipu dává možnost volby, zda uložit konfigurační parametry určující citlivost konkrétní CapSense aplikace do Flash nebo je zavést přes I2C po zapnutí napájení.

 

Mikrokontroler lze programovat přímo v aplikaci (ISSP) programátorem Miniprog, který je součástí téměř každého typu kitu s PSoC.

Výrobci mohou profitovat z cenové úspory - v mnoha případech a obzvláště v případě velkých výrobních objemů může náhrada kapacitními tlačítky zmenšit velikost PCB a součástek a prodloužit životnost výrobku.

Dostupnost: V pouzdře SOIC s 8 a 16 piny a QFN 16 pinovém pouzdře (3x3 mm) je CY8C201X0 a CY8C201X2 běžně dostupný.

Vyzkoušejte si návrh kapacitní klávesnice!

Praktický seminář s vyzkoušením metodiky návrhu CapSense aplikace na kitu FirstTouch a použitím vývojového prostředí je možno vyzkoušet na PSoC™ CapSense™ Workshop 2008 pořádaném v úterý 6.5. 2008 v Praze. Účastníci se dozví více o rozdělení procesorů PSoC, vyzkouší si práci ve vývojovém prostředí PSoC Designer a PSoC Expres a sestaví vlastní CapSense aplikaci na kitu FirstTouch, který si ze semináře odnesou (je zahrnut v ceně semináře).

Vlastimil Píč


Download & Odkazy:

Hodnocení článku: