Implementação de Teclado através de Sensoriamento Indutivo mTouchTM

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Implementação de Teclado através de Sensoriamento

Indutivo mTouchTM


Objetivos

� Ao Término desta aula, você irá:� Entender o princípio de funcionamento da

tecnologia� Entender o processo mecânico de

montagem� Entender o impacto de sensibilidade no

desenvolvimento elétrico do sistema� Entender as dicas e cuidados sobre

lay-out


Agenda

� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecânico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas


Agenda



A Necessidade – InterruptoresElétricos Externos

� Como solucionar esterústico e pontecialmenteperigoso problema?

� De que forma manipulareste tipo de interruptordurante um dia de chuvaou com as mãoshúmidas?

� Quais seriam os fatorese barreiras no desenvolvimento de umasolução “ elétrica”?


Mais que um simples sistemade On/Off Robusto?

� Quais outrassoluções poderemosadotar?

� Uma simples caixapara múltiplaschaves pode ser umasolução.

� Talvez isoladores de borracha nao sejamo suficiente.

� LEDs de indicaçãosejam necessáriospara informar o status da chave.


Microchip oferece ambas as tecnologias mTouchTM

Capacitiva Indutiva

� Código Fonte Aberto;� Fácil de ser aplicado;� Baseado nas funções do MCU.

Tecnologias mTouchTM


Como selecionar entre SistemaCapacitivo e Indutivo


Inductive vs Capacitive Touch Sensing

Theoretically any material can be used. Glass could be

a problem

Works best with glass or plastics

Touch Surface Materials

Not a problemPress may not be detectedGloves

Not a problemCould trigger a pressLiquid on touch surface

Mechanical design slightly more complex with interface

electronics required

Integrated peripherals minimize external

components

Design Complexity

More power due to higher current levels required

Low powerPower

Movement of a target (actuation force)

Effects introduced by user’s body

Triggering Mechanism

Inductive SensingCapacitive Sensing


Agenda

� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecanico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas


Revisão sobre Indutância

� Fluxo de corrente (I) atravésde um condutor é produzidoum campo magnético (�)

� Indutância (L) é um efeitodeste campo gerado

�

�I �� gerado uma Força Eletromotriz (E)(Oposta a mudança de corrente)

cross section of straight conductor

L = Propriedade de um condutor de gerar um E sobre elemesmo quando submetido a uma corrente variável.


Trafo com núcleo de Ar

� Cada bobina (sensor) seriao primário de um transformador.

� A placa Target (cover plate) seria um “secundário em curto”.

� Movimento da placa target próxima a bobina faz com que a indutância destaseja alterada pela indutância refletida daplaca target.

Sensor Target


Indutância vs Distância


Construção

Sistema de Sensoriamento Indutivo mTouchutiliza uma costrução por camadas

Painel Frontal(Interface usuário)

Placa Condutiva (Target)(Somente caso a Frontal não seja condutiva)

Placa Espaçadora

Placa de Circuito Impressocom as Bobinas


Princípio de MediçãoProporcional

� Para uma maior precisão, duasbobinas no primário são utilizadas� Uma Bobina possui “movimento”

(Touch Sensor)� Outra bobina seria

uma Referência Fixa� Medição “proporcional”

evitamos mudanças de temperatura e voltagementre as bobinas.


Circuito EletrônicoMedidor de Impedância

Oscilador

Sensor Conversor A/D

Iremos analisar com maiores detalhes.........


O que seria a solução mTouchTM

de sensoriamento Indutivo?

A solução mTouchTM Indutiva é uma tecnologiaproprietária da Microchip.

Está disponível para os clientes sem qualquercusto e acordos de utilização que permite a implementação da tecnologia em qualquer

microcontrolador PIC® ou dsPIC®.


Porque sensoriamentoIndutivo?

� Sensoriamento através de vários materiais, Aço Inox, Alumínio, Plástico entre outros.

� Indicado para ambientesexternos ou locais com muitahumidade

� Ativação do sistema mesmosendo manipulado com uso de luvas

� Interface de fácil implementaçãopara leitura em Braille

� Possibilidade de ajuste nasensibilidade do sensor (Soft ouHard Touch)


Princípio Básico

Sensor Indutivo

PlacaTargetPainel Frontal

Placa de Circuito Impresso

Usuário pressionapainel frontal

Deflexão do Painel

(na ordem de microns)

Deflexão éindutivamente

detectada.


� Appliance (Linha Branca)� Acabamento estético em alumínio ou

Aço Inox

� Automotivo� Acabamento em Alumínio (painel)

� Médico / Odontológico� Equipamentos em geral

� Industrial� Maior segurança contra vandalismo (ATM)� Robustez para ambientes externos

Mercados em Potencial


Agenda



Componentes do Sistema

Osc

ADC

PIC® Microcontroller

MCP2036

Pressionada a placa Frontal, esta movimenta a placacondutiva (Target) proxima a bobina alterando a

indutância do sensor.

d


Modelo Simulado

RCOIL LCOIL

RTARGET

LTARGET

Impedância

IndutânciaMutua

Distância

Perdas na Placa targetDevido correntes parasitas


Sensibilidade devido a Separação

� Placa target necessita de um leve movimento paraproduzir uma larga variação na indutância da Bobina

Bobina

Placa Target

Distância

% M

udan

çaIn

dutiv

a

Separação Target/Bobina

Determina o Tamanho do Espaçador

Deflexão na ordem de 10um (micro metros)


Bobina Indutiva do Sensor

Bobinas são geradas diretamente na PCI


Via

Trilhas em paralelo

OBS: Trilhas em paralelo com menor espaçoentre elas para reduzir Indutâncias parasitas.


How_to_create_an_Inductive_Touch_Coil

Bobina Indutiva do Sensor


Espaçador

Espaçador fornece uma separação entre as placas Frontal e Condutiva (Target) paratermos uma deflexão.

Placa de Circuito ImpressoEspaçador


Materias Utilizados:� FR4, FR2,Fenolite, Policarbonato, Acrílico, ABS


Diâmetro do Orifício

�1 - 3% - Diâmetro do Orifício

Espaçador


� Material não pode ser flexível (evitarinteração entre ambas)

� Eletricamente isolado� Tamanho da placa deve ser de 1% a 3%

do diâmetro do sensor.� Distância entre os orifícios são de 30-50%

do diâmetro do orifício.� Pequenos espaços causam elevação da placa

em sensores adjacentes� Pequenos espaços aumentam o stress no

adesivo entre a placa condutora e o espaçador

Mecânica do Espaçador


Placa Frontal

� Identifica a função dos botões� Material flexível (Elasticidade)� Materias Não-Condutivos

- Policarbonato, Acrílico, � Material condutivo (Target Adesivo)

- Alumínio, Aço Inox, Aço Carbono, Latão

Placa Frontal


Placa Frontal e Target


Placa Condutiva (Target)

Placa Frontal



Painel Frontal

Adesivo CondutivoAuto-Colante

TargetTarget



Placa Plastica Moldada com/semEspaçador

Painel Frontal


Placa Moldada comAdesivo Condutivo

TargetTarget


� Utilizando uma placa frontal condutiva

Placa de Circuito ImpressoEspaçadorPlaca Frontal e Target



Características Elétricas daplaca Condutiva (Target)

� Tamanho do material estarelacionado com a condutividadedeste:� Materiais de ótima condutividade podem

ser mais finos como ouro, prata, cobre, alumínio

� Materiais de baixa condutividade devemser mais grossos como Aço ou Aço Inóx

� Ferrites não são recomendados, porém podem ser utilizados.


As Placas Condutiva e Espaçador

� A Placa Target deve cobrir o sensor (Bobina)

� Tamanho do Sensor influência naIndutância

� Diâmetro do orifício e o material utilizado na placa Target determinaráa deflexão

� Deflexão determina o quanto iráalterar a Indutância


Material da PlacaCondutiva (Target)


Material da Placa Condutiva(Target)


Cuidados na Montagem!

� Considerar Força máx e min aplicada� Stress no material (Elasticidade), resulta

em perda da sensibilidade nos botões� Material do espaçador é fator primordial� Diversos métodos de montagem:

- Adesivos- Parafusados- Soldagem por aquecimento- Soldagem Ultrasônica


Elasticidade da PlacaCondutora

� Região Linear� Lei de Hooke

F = - K X

� Sobre-forçareduzem a elasticidade� Deformação

Permanente� Ponto de Ruptura


Calculador de Deflexão


Construção Mecânica

PlacaCircuito

Impresso

Espaçador

PlacaTarget

PlacaFinal


Opção Com Placa Frontal Condutiva

With Spacer Layer

Without Spacer Layer


Agenda

� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecanico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas


Hardware Necessário

� Microcontrolador com A/D� Amplificador Operacional

(MCP6001)� Multiplexer (depende do número

de botões desejados)


Overview doSistema Indutivo

MicrocontroladorPIC®

Sensores de ToqueIndutivos

InterfaceAnalógica

PWM

ADCDC Voltage


Bobina de Sensoriamento

� A Bobina (Sensor) seria um indutorplanar em espiral na própria PCB

� A indutâcia da bobina é fornecidanos sistemas:� Métrico

� Inglês


Indutância (PCB)

L = Indutância

r = Raio externo da bobina

N = Número de voltas

d = Raio externo - Raio interno


Medição da Indutância

� Para medirmos a indutância, a bobinadeve ser excitada por uma corrente AC

� Caso seja uma baixa indutância , a frequênciae a corrente devem ser altas para haver umatensão mensurável.

� Indutâncias na casa de 1-2uH, requerem aprox. 4-8MHz & 5-10mA para termos mV de tensãosobre o indutor.


Medidor de Impedância


Oscilador e Driver de Corrente

� Sinal PWM (Fdrive)� 500kHz – 2MHz

� R1/C1 para Fdrive� Impedância ~ 1K

� Driver de Corrente� ~2mA Iout

� Capacitor Bypass� 0.1uF para ruídos


Diagrama em Blocos

� Versão com Multiplex Analógico


� Versão com uso de GPIO

Diagrama em Blocos


Sensores e Multiplexers

� Sistema de Chaveamento paraseleção da bobina a ser analisada


Mixer, Filtro e Amp. Operacional


Níveis Elétricos

� Saída do Drive 3-4Vp-p

� Ambas as Bobinas 40-80mVp-p

� Única Bobina 20-40mVp-p

� Terra Virtual 2.5V� Vout 500mV(both)

� invert | invert ?


Agenda



Vantagens do MCP2036

Implementar a Tecnologia de sensoriamento indutivo mTouch:

� Fácil implementação� Melhor relação de custo� Redução do espaço

em PCB


MCP2026 – Analog Front End� Sistema completo de Medição

Indutiva� Driver de Corrente (Baixa Impedância)� Multiplex para Bobinas

(Sensores/Referencia)� Detector de Alta-Frequencia

� Tensão de operação: 2.7 até 5.5V

� Ajuste de ganho e Frequência via componentes passivos.

� Aplicações:� Teclados Indutivos� Interface para sensores de rotação

Indutivo� Interface para sensores de força Indutivo


Características – MCP2036

MCP2036 combina todas as funções analógicas:

� Alta frequência, driver de corrente para excitação das bobinas dos sensores.

� Detector de sincronismo para conversão das tensõesAC injetadas nas bobinas para níveis DC

� Amplificador/Filtro de saída para melhorar a resoluçãoe limitar o ruído.

� Virtual ground Reference para trabalhar com umaúnica fonte de alimentação.

Este componente substitui até 18 itens na placa!!!!


Diagrama de Blocos

Only one AFE needed whatever the number of button isWorks with both Mux and GPIO schematics


MCP2036 – Circuito Típicocom Mux

Pode ser utilizado com sistema via GPIO


Sistema Indutivo com MCP2036

� Sistema mTouch Indutivo consiste de:� Microcontrolador PIC® ou dsPIC ® com PWM e ADC� MCP2036 Analog Front End

Eixo deMedição

Osc

ADC

Microcontrolador PIC® Sensor de ToqueIndutivo

MCP2036


Agenda

� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecãnico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas


Design do Software

� Medição� Selecionar ambas as bobinas, estabilizar,

realizar a medição (BothCoil_val)� Selecionar Bobina REF, estabilizar, realizar a

medição (Ref_val)� Desligar o driver, estabilizar, realizar a medição

(Vref_val)

� Detecção� Valor Normalizado

Normal_Coil = (Sensor_Coil * 1024)/Ref_Coil� Comparar com valor médio


Software Simples - Loop de Medição

// measure both coils Turn_osc_on() // enable driverSelect_both() // select both coilsDelay() // stabilizeboth = ADC() // convert

// measure reference coil Select_ref() // select reference coilDelay() // stabilizeref = ADC() // convert

// measure virtual groundTurn_osc_off() // disable driverIsolate_Det() // disconnect detectorvgnd = ADC() // convert


Software Simples - Loop// calculate values

value = both – ref // separate sensor coiltemp = ref – vgnd // get reference coilvalue = sensor*1024/ref // normalize value

// calculate thresholdthreshold = average – trip

// detect pressif (value>threshold) // if press,assumes !invert{

button=true}else // if not a press{

button=falseaverage(value)

}


Software

� Disponibilizado dois códigos fontes (GPIO ou Mux)

� 2K words utilizados na memória de Programa

� 120~150bytes (Mem. Dados)� Todo material disponível em:

www.microchip.com/mtouch


Agenda



Redução de Ruídos

� Eletrônicos� Utilizar Capacitores bypass de boa

qualidade� Plano de Terra� Isolação dos detectores� Evitar ou limitar mudanças correntes

(picos) durante o processo de medição

� Filtro passa-faixa RC na saída Vout


� Sensores� Plano de terra abaixo das bobinas devem

ter entre 2x-3x maior que a distânciaentre a placa target e os sensores

� Conexões com as bobinas devem ser aopares com um tamanho de 10 mil e espaçamento de 10 mil

� Mantenha todas as conexões das bobinas na parte superior da placa e limitar os cortes para o plano terra.

� Aterrar a placa target.

Redução de Ruídos


Sensores Indutivos - Layout� Terminais das bobinas devem ser

traçadas o mais próximo possível parareduzir a suceptibilidade a ruídos


Via

Trilhas em Paralelo


Agenda



Exemplo Sistema AnalógicoResistivo


Série AR10X0� Controlador Integrado de

toque resistivo� Suporta anteparos de 4-,

5-, 8 fios� Interfaces: SPI, I²C™,

UART� Otima precisão de

cooordenadas� Filtros de Toque

avançados� Não requer qualquer tipo

de configuração


Esquema Elétrico - AR1000

Controlador AR10005 Capacitores1 Resistor


AR1000 Development Kit

� PICKit Serial Analysier� 7” Four Wire Touch Resistive Screen� AR1000 development Board


Agenda



Fontes de Pesquisa

� mTouch™ Design Center www.microchip.com/mTouch

� Application Notes: � AN1239: Inductive Touch Sensor Design� AN1238: Inductive Touch Software Design� AN1237: Inductive Touch Hardware Design

� White Paper� Alternatives and Options for the front panel

� Inductive Technology Deflection Tool


Perguntas?


Resumo da Aula

� Hoje nós abordamos:� Design Mecânico de um Sistema de

Toque Indutivo� Design Elétrico de um Sistema de

Toque Indutivo� Verificação do Software a ser

utilizado neste Sistema.� Conceitos e Dicas para eliminação

de ruídos no produto


Obrigado


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