Eckdaten

Bedienelemente in der Industrie und in Haushaltsgeräten benötigen im Grunde keine komplexe Gesten- und Multitouch-Erkennung wie sie für Smartphones und Tablet-PCs vonnöten ist. Es genügt meist eine simple Berührungserkennung auf dem Bedienpanel oder auch die Bedienfunktion einfacher Schiebe- und Drehregler. Die MCU-Lösung von Atmel hierfür basiert auf einem Cortex-M0+.

Mikrocontroller für Haushaltsgeräte müssen Standards wie IEC 60730 Class B, einschließlich FMEA und Energy Star, erfüllen, höchste Sicherheit bieten und Echtzeit-Performance aufweisen. Zunehmende Komplexität bei Haushaltsgeräten und die Kundenanforderung an höhere Funktionsvielfalt zwingt Hersteller dazu, mehr und mehr Mikrocontroller zu entwickeln, die mit anderen Subsystemen wie Motorsteuerungen, Displays oder Funkmodulen in anderen Haushaltsgeräten kommunizieren können. Außerdem soll die Anzahl von Mikrocontrollern in jedem Haushaltsgerät deutlich sinken mithilfe von Einchip-Controllern, die eine Reihe von Mikrocontroller ersetzen.

Hardwarebasierende kapazitive Touch-Unterstüzung vereinfacht die Entwicklung von Bedienoberflächen bei Haushaltsgeräten und verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung des Produkts. Die neuen, auf ARM Cortex M0+ basierenden 32-Bit-MCUs aus der SAMD2x-Familie von Atmel richten sich an den Markt für stromsparende und günstige Touchanwendungen im Consumer-Bereich und bei Haushaltsgeräten. Der hardwarebasierende Peripheral Touch Controller (PTC) reduziert dabei den Designaufwand für berührungsgesteuerte Bedienelemente.

Der hardwarebasierende Peripheral Touch Controller (PTC) übernimmt im SAMD21 eine Vielzahl von Aufgaben.

Der hardwarebasierende Peripheral Touch Controller (PTC) übernimmt im SAMD21 eine Vielzahl von Aufgaben. Atmel

Einfache und günstige Implementierung

Durch die Integration des kapazitiven Abtastschaltkreises für die Touch-Akquisition auf dem PTC stellt der SAMD21 eine vollintegrierte Einchip-Lösung für kapazitive Berührung mittels Hardware dar. Die SAMD21-CPU-Belastung beschränkt sich somit auf die Nachbearbeitung der Berührungssignale mithilfe von IRQ und Atmels Qtouch-Bibliothek. Nur 5 % der gesamten SAMD21-CPU-Ressourcen sind erforderlich, um zehn Kanäle mit einer Abtastrate von 50 ms abzutasten. Handelsübliche Technologien zur Berührungserkennung verbrauchen mehr GPIOs und benötigen die Zusatzbeschaltung externer Komponenten. Mit dem SAMD21 hingegen lassen sich Highend-Bedienpanels für HMI-Anwendungen mit nur einer Standard-Embedded-MCU und ohne ASIC ansteuern. Um Touchlösungen mit PTC zu implementieren bedarf es keiner weiteren externen Komponenten. Zusätzlich lässt sich die Anzahl der erforderlichen GPIOs im Vergleich zu herkömmlichen Methoden reduzieren. So erfordert Self-Capacitance einen Pin für jeden Touchsensor, während Mutual Capacitance einen Pin für die X-Leitung und einen Pin für die Y-Leitung benötigt. Dadurch sinken die Materialkosten und Elektrodenlayouts sind flexibler, da nur zwei Pins anstelle der üblichen drei erforderlich sind.

Hohe Abtastrate

Durch die Kombination von Hardware-PTC und Qtouch-Software-Bibliothek lässt sich ein HMI-Bedienpanel mit einer hohen Abtastrate umsetzen, das über Berührungstasten, Sliders, Wheels und Annäherungssensoren verfügt. Für HMI-Anwendungen ist eine höhere Anzahl von Tastkanälen von Vorteil, da diese eine präzise Erfassung mehrerer Sensortypen ermöglichen. Durch den PTC, der für SAMD21J (64-pin) bis zu 256 (16 × 16) Kanäle in einer Matrix-Konfiguration unterstützt, eignet sich der SAMD21x sehr gut für den Einsatz in Haushaltsgeräten mit kapazitiven Benutzerschnittstellen und Bedienelementen, da bei solchen Anwendungen eine Vielzahl von Tastkanälen vorteilhaft ist. Die meisten momentan handelsüblichen Mikrocontroller unterstützen nur eine begrenzte Anzahl frei verfügbarer Tastkanäle in der Hardware.

Self- und Mutual Capacitance

Aufgrund der Robustheit und Resistenz gegenüber Feuchtigkeit ist Mutual Capacitance die bevorzugte Methode für Haushaltsgeräte. Dafür unterstützt der PTC neben Self-Capacitance- auch Mutual-Capacitance-Sensoren mit automatischer Kalibrierung über die Produktlebensdauer sowie automatische Nachkalibrierung mit Nullpunktabweichung über den gesamten Temperatur- und Versorgungsspannungsbereich. Darüber hinaus lässt sich die Empfindlichkeit der einzelnen Tasten vom Anwender definieren.

Der PTC basiert auf der patentierten Charge-Transfer-Technologie.

Der PTC basiert auf der patentierten Charge-Transfer-Technologie. Atmel

Der PTC im SAMD21 ist mit niedrigem Stromverbrauch im Standby-Modus verfügbar, und die MCU lässt sich im Sleep-Modus durch kapazitive Touch- oder Annäherungsschalter überwachen. Nur 8 µA mit einer Abtastrate von 200 ms für einen Kanal beträgt der Stromverbrauch zur Aktivierung der MCU. Damit ist er um bis zu 20 mal geringer als bei üblichen Lösungen. Der PTC basiert auf der patentierten Charge-Transfer-Technologie, welche durch Streuspektrum-Modulation eine widerstandsfähige Funktion ermöglicht. Seine Aufgabe besteht darin, die Berührung auf kapazitiven Touchsensoren zu erkennen und diese Signale zu erfassen. Dazu bietet Atmel den kapazitiven Ladungstransfer (Charge-Transfer-Technologie), der anhand zweier Kondensatoren die Spannung (Kapazität) eines Sensorelektrodenkondensators nach dem Eimerprinzip über eine mit GPIO-Pins angeschlossene Schaltung misst. Aus diesem Verfahren lassen sich zwei unterschiedliche Erkennungsmethoden ableiten, die sich im Grunde an der Anzahl der Elektroden pro Sensorelement und der damit einhergehenden Beschaltung unterscheiden. Es sind dies die Eigenkapazitätssensoren (Self-Capacitance Mode) und die Gegenkapazitätssensoren (Mutual Capacitance Mode).

Ein Self-Capacitance Sensor weist eine sehr hohe Empfindlichkeit auf.

Ein Self-Capacitance Sensor weist eine sehr hohe Empfindlichkeit auf. Atmel

Hohe Empfindlichkeit

Die Self-Capacitance-Erkennungsmethode bezieht sich grundsätzlich auf kapazitive Touchsysteme, die die Kapazität zwischen einer Elektrode und einem Bezugspotenzial (üblicherweise Masse) auswerten. Sie weist gegenüber der Mutual-Capacitance-Methode eine ungewöhnlich hohe Empfindlichkeit auf und lässt sich deshalb auch für Näherungssensoren heranziehen.

Durch Robustheit und Resistenz gegen Fremdeinwirkungen zeichnen sich Mutual-Capacitance-Sensoren aus.

Durch Robustheit und Resistenz gegen Fremdeinwirkungen zeichnen sich Mutual-Capacitance-Sensoren aus. Atmel

Hohe Resistenz

Die Mutual-Capacitance-Erkennungsmethode bezieht sich grundsätzlich auf kapazitive Touchsysteme, deren Sensoren mit jeweils zwei Elektroden pro Erfassungsposition ausgestattet sind. Systeme, die mit dem Mutual-Capacitance-Verfahren arbeiten, weisen gegenüber Self-Capacitance-Systemen eine höhere Robustheit und Resistenz gegen Fremdeinstreuungen, Feuchtigkeit, Alterung und Temperaturwechsel auf.

Entwicklungswerkzeuge

Sowohl für die Software- als auch für die Hardwareausführung ist eine Vielzahl von Entwicklungswerkzeugen verfügbar. Sehr hilfreich für die Einarbeitung in die Thematik sind die Evaluierungskits SAMD21 Xplained Pro und QT1 Xplained Pro (Self- und Mutual Capacitance Extension). Für die schnelle Einarbeitung in das Softwaretool Qtouch Composer, welches ein integraler Bestandteil der Atmel Studio 7 IDE ist, dienen die Softwarebibliotheken QTouch Library und QTouch Safety Library. Zur Beschleunigung der Applikationsentwicklung umfasst der Qtouch Composer Funktionen zum Erstellen von Sensorelementen und für die Konfiguration der dazugehörigen Parameter. Der Hersteller liefert dafür auch die benötigte Dokumentation und eine umfangreiche Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Anfertigung eigener Touch-Anwendungen.