Integrované E-Field senzory firmy Freescale jsou velmi zajímavé součástky, které umožňují detekovat změnu, resp. zkreslení, elektrického pole vnějším objektem. Zvláště je citlivá tato změna na přítomnost elektricky vodivého lidského těla, které funguje jako zemnící elektroda. Takto lze například vytvořit bezdotykové ovládání zařízení, kdy není nutné ruku nebo prst přitisknout na citlivou plochu tlačítka, ale jen ji k ní přiblížit. Protože elektrické pole prochází sklem i dielektrikem, lze vytvořit například tlačítka přístrojů kvalitně chráněná proti nevlídnému okolnímu prostředí nebo v případě pouličních zařízení proti vandalům. Stejně tak lze detekovat a poté i automaticky zabránit přiblížení částí těla nebo například zvířatům či vodivým objektům k nebezpečným místům.

Vlastnosti a použití E-field detekce

Princip e-field detekce

Celý princip E-Field detekce by se dal přirovnat k velkému vzduchovému kondenzátoru, kde mezi dvěma elektrodami vzniká dipólové elektrické pole vytvořené harmonickým sinusovým signálem. Jedna elektroda funguje jako vysílací elektroda napájená z harmonického oscilátoru, zatímco druhá je pak referenční uzemněná. Když se pak mezi tyto elektrody dostane cizí vodivý předmět, chová se jako další vložená elektroda, která mění rozložení pole v jeho okolí. Konkrétně například vložením části lidského těla, která se chová jako uzemněný vodivý předmět, dochází k odstínění generovaného elektrického pole od uzemněné elektrody a tím i k samotné detekci. Nedochází totiž k přenosu náboje mezi pevnými elektrodami a tím je omezen proud uzavřenou smyčkou. Velikost proudu je však také úměrná rozdílu napětí mezi elektrodami. A protože jejich vzdálenost je relativně dost velká, je nutné pro generování elektrického pole použít stabilní generátor sinusového signálu o frekvenci desítek nebo stovek kHz.

Pro použití uvedeného principu, jako například bezdotykového tlačítka, je nejvýhodnější použít velikosti elektrod blízké velikosti prstu. Obecně však mohou být elektrody různě velké a libovolně tvarované. S rostoucí vzdáleností mezi elektrodami totiž roste detekční vzdálenost (viz obrázek 3 a 4). Větší rozměry elektrod a menší vzdálenost mezi nimi však znamená větší citlivost, podobně jako zvýšení napětí na ně přiložené. Z tohoto pohledu by pak zase měli být co největší. Takto je také možné vytvořit bezdotykový "potenciometr", kdy elektrody mají v různém místě různé rozměry a tak se mění velikost kontaktní oblasti například s pozicí prstu.

Výhodou takové bezdotykové detekce pak je schopnost pracovat a detekovat, i když jsou elektrody umístěny pod elektricky nevodivým materiálem, jako je například sklo nebo PVC, které mají vysokou dielektrickou konstantu. Ty nemají vliv na elektrické pole, které jimi prostupuje. Tak lze například vytvořit bezdotykovou klávesnici odolnou v náročném prostředí.

Princip integrovaných E-Field senzorů

Aby však celá E-Field detekce správně fungovala je nutné zajistit napájení elektrod stabilním zdrojem harmonického napěťového signálu a změnu elektrického pole vhodně detekovat. Pro co nejjednodušší konstrukci zařízení jsou v nabídce firmy Freescale speciální integrované obvody. I když se jednotlivé typy navzájem liší, základní princip a bloková struktura je podobná. Všechny obsahují integrovaný zdroj sinusového signálu o frekvenci 120 kHz, jehož výstup je vyveden na piny pro připojení vnějších snímacích elektrod. Na nich je pak generováno výše zmíněné elektrostatické pole. Jeho pomalé změny vzniklé přítomností detekovaného objektu jsou pak snímány a z budícího napěťového signálu separovány detektorem a filtrem typu dolní propust. Na výstupu se již objevuje napětí, jehož okamžitá hodnota odpovídá přiblížení objektu. Úroveň napětí se snižuje s rostoucí kapacitou externích elektrod, tj. s rostoucím přiblížením předmětu.

Integrovaný obvod MC33794 - Electric Field Imaging Device

Integrovaný obvod MC33794 je základním kamenem E-Field senzorů v nabídce firmy Freescale. Umožňuje připojit až 9 měřících elektrod a 2 elektrody referenční. Možné je provedení i vzdálené napojení elektrod prostřednictvím stíněného koaxiálního kabelu, kde stínění se připojuje na pin SHIELD. Měřené změny elektrického pole jsou převáděny detektorem na analogový stejnosměrný výstupní signál s proměnou amplitudou na výstupu LEVEL nebo posílány po sériové sběrnici (ISO-9141) například do MCU. Pro přímé spínání zátěže, ovládání A/D převodníku nebo světelnou indikaci je zde výstup LAMP_OUT. Vstupy A, B, C, D se pak vybírá (multiplexuje) elektrodu, ze které jsou změny převáděny.

Elektrické pole na připojených elektrodách je generováno sinusovým signálem, jehož frekvenci lze přelaďovat externím rezistorem na pinu R_OSC. Obvod je však optimalizován pro generovanou frekvenci 120 kHz. Protože se může teplotou a stárnutím měnit frekvence generátoru i vlastnosti ostatních prvků, je vhodné pro přesnější měření použít kompenzaci. I uživatelem libovolně použitelný obdélníkový signál na výstupu CLK je stejné frekvence. Zároveň z něho může být odvozeno časování pro watchdog, který slouží pro předpokládanou kontrolu napojeného MCU. Pokud v pravidelných intervalech není přiváděn impuls na vstup WD_IN, je aktivován výstupní vývod RST, který může resetovat MCU, pokud je napojen na jeho resetovací vstup.

Integrovaný obvod MC34940 - Electric Field Imaging Device

Vývojový kit

V nabídce firmy Freescale je i vývojový kit, pracující jako bezdotyková klávesnice, který prakticky prezentuje použití E-Field detekce. Základem kitu je tzv. analyzující deska (Analyzer Board) s elektronikou s hlavními prvky v podobě MCU MC68HC908 Nitron a v tomto článku popisovaným senzorem elektrického pole (E-Field Sensor) MC33794 a tzv. deskou panelu elektrod (Touch Panel Board). MCU Nitron je všeobecně velmi populární a obsahuje 10bitový A/D převodník pro možnost napojení analogového výstupu senzoru. Mimo to lze na desce nalézt 7segmentový displej, piezosirénku, LEDky napájecí zdroj, RS-232 a podobně.

Závěr

Existuje mnoho způsobů a principů jak bezdotykově detekovat přítomnost předmětů, včetně lidí, ale jen málokteré jsou tak flexibilní, dovolují snadnou montáž a umístění v omezených a stísněných prostorech. Vytvořit například bezdotyková tlačítka je s výše uvedenými integrovanými obvody Freescale téměř hračkou. Pro bližší informace odkazuji na stránky výrobce - www.freescale.com nebo české zastoupení - www.freescale.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovské stránky firmy Freescale - www.freescale.com
• Domovské stránky českého zastoupení firmy Freescale - www.freescale.cz
  
  
• Katalogový list MC33794FS.pdf
• Katalogový list MC33794.pdf
• Katalogový list MC34940.pdf
• Katalogový list MC34940FS.pdf
• Katalogový list MC34941.pdf