Уголок радиолюбителя
Тактильные технологии, которые обнаруживают присутствие человеческой руки, все чаще встречаются в электронных устройствах. Они используются для реализации интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие между устройством и его пользователем. Эти решения стали настолько широко распространенными, что стали вытеснять ранее популярные интерфейсы на основе механических компонентов.
Этот процесс является результатом многочисленных преимуществ сенсорных технологий, которые дают возможность сделать пользовательский интерфейс более надежным, функциональным и эргономичным по сравнению с аналогичными механическими решениями.
Разработка сенсорного пользовательского интерфейса требует реализации физического сенсорного уровня и реализации (аппаратного или программного обеспечения) алгоритма, который интерпретирует сигналы, полученные из него. Второй из этих элементов может быть выполнен разными способами, потому что есть много компаний, предлагающих свои продукты в этой области.
Ведущими производителями являются: Freescale, STMicroelectronics и Atmel, которые предлагают как интегрированные контроллеры для работы с сенсорными клавиатурами, так и пакеты программного обеспечения, позволяющие расширить функции микроконтроллера с помощью сенсорного интерфейса. Первый элемент отличается тем, что включает в себя конструирование электродов датчика. В этом случае невозможно использовать готовое решение, потому что он должен быть подготовлен и индивидуально адаптирован к устройству.
Правильная реализация сенсорного слоя требует от разработчика знания определенных правил, соблюдение которых позволит избежать возникновения явлений, которые могут отрицательно повлиять на правильную работу сенсорного интерфейса.
Процесс обнаружения присутствия человеческого тела на основе прикосновения в простейшем виде можно представить в виде конденсатора (рис. 1).
Рис. 1. Визуализация метода приближения обнаружения пальцев
Согласно формуле, описывающей емкость конденсатора (рис. 2), эта величина зависит главным образом от расстояния между его обкладками, которые в нашем случае представляют собой кожу и электрод (слой датчика на поверхности устройства и пути, подведенные к нему).
Рис. 2. Факторы, влияющие на емкость конденсатора, и уравнение, описывающее их взаимосвязь
Общие выводы, сделанные из этого факта, следующие:
• чем больше обнаруженный объект, тем больше поверхность соответствующей обкладки конденсатора, и, следовательно, значение емкости увеличивается,
• чем больше поверхность электрода, тем больше поверхность соответствующей обкладки конденсатора, что также приводит к увеличению емкости,
• изменение емкости обратно пропорционально расстоянию между электродом и обнаруженным объектом,
• тип изоляционного материала влияет на чувствительность обнаружения объекта,
• дорожки и поверхности, прилегающие к электроду, могут формировать так называемую паразитную емкость и влиять на емкость электрода, добавляя к его начальному значению (рис. 3).
Рис. 3. Взаимодействие между электродами и соседними элементами
Первый элемент, на который следует обратить внимание при проектировании электродов в сенсорных приложениях, — это как проложить пути к полям электродных датчиков. Это важный вопрос, потому что каждый путь имеет определенную емкость, индуктивность и сопротивление (рис. 4). Эти значения зависят главным образом от длины и ширины дорожек и влияния электромагнитного поля, создаваемого окружающими элементами.
Рис. 4. Электрическая схема пути на печатной плате
Особенно важным параметром путей в контексте приложений с сенсорным интерфейсом является значение емкости, которое должно быть как можно меньше. Для достижения этой цели предлагается:
• выполнение ширины дорожек в районе 0,15-0,18 мм,
• выполнение зазора не менее 0,3 мм между соседними дорожками одного и того же слоя платы (рис. 5),
• дорожки, перпендикулярные соседним слоям платы (рис. 5),
• размещение дорожек на выводах (рис. 6).
Рис. 5. Путь дорожек
Рис. 6. Расположение электродов и их выводов
Поля электродного датчика являются еще одним важным элементом, который требует внимания. Для оптимального их проектирования рекомендуется:
• использование полей размером, близким к сенсорной поверхности человеческого пальца,
• используя квадратные, прямоугольные или круглые поля (рис. 7),
Рис. 7. Часто используемые формы полей кнопок сближения
• поддержание как можно большего зазора между полями, чтобы избежать взаимного влияния,
• размещение полей кнопок на отдельном слое платы, что позволит минимизировать помехи от соседних элементов,
• избегать размещения других электронных компонентов рядом с электродами и под ними,
• использование в основном элементов в корпусе SMD, которые, в отличие от SMT компонентов, не требуют отверстий, нарушающих целостность поверхности платы.
Другая проблема, на которую стоит обратить внимание, — это использование полигонов. В устройствах с сенсорным интерфейсом их использование не обязательно. При выборе полигонов будьте осторожны, так как их присутствие может помочь подавить внешние помехи, но неправильное использование может также снизить чувствительность электродов. Рекомендации по использованию полигонов:
• использование полигонов вокруг или под полями электродов рекомендуется, когда расстояние между электродами небольшое (менее 1,27 мм) или при использовании клавиатуры матрицы,
• избегая близости электродов и полных полигонов, чья емкость может создать большое смещение во время измерения. Оптимальной структурой полигона является вид сетки, которая, размещенная на нижнем слое пластины, служит фильтром, не внося паразитную емкость в измерительную систему (рис. 8).
Рис. 8. Клетчатая структура полигона
• использование полных полигонов для цифровых и аналоговых частей устройства.
Пример приложения, в котором учтены все эти постулаты, показан на рис. 9.
Рис. 9. Использование полигонов в сенсорном интерфейсе
Следуя всем этим рекомендациям, касающимся конструкции сенсорных электродов, вы можете приступить к созданию пользовательского интерфейса на основе сенсорной технологии. Наиболее распространенным компонентом такого интерфейса являются отдельные кнопки.
Когда функциональность кнопок недостаточна, стоит использовать матричную клавиатуру (рис. 10), в которой интерпретация поля чувствительного датчика производится на основе считывания двух или более электродов. Аналогично отдельным кнопкам, форма и геометрия элементов клавиатуры должны быть отрегулированы по размеру человеческого пальца.
Рис. 10. Сенсорная клавиатура
