探索PICDEM Touch Sense 2 Demo Board：開啟電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用新旅程

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)憑借其簡(jiǎn)潔、靈敏的特點(diǎn)，正逐漸成為人機(jī)交互的主流方式。今天，我們將深入探討Microchip Technology的PICDEM Touch Sense 2 Demo Board，它為電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用的開發(fā)提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。

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一、前言與文檔指引

在正式使用PICDEM Touch Sense 2 Demo Board之前，我們需要了解一些重要的信息。這份用戶指南雖然可能會(huì)隨著時(shí)間推移而更新，但它仍然是我們開啟探索之旅的重要依據(jù)。大家可以通過Microchip的官方網(wǎng)站（www.microchip.com）獲取最新的文檔，文檔編號(hào)為“DSXXXXXA”，方便我們識(shí)別和查找。

同時(shí)，為了更好地使用這個(gè)開發(fā)板，我們還推薦閱讀一些相關(guān)文檔，比如PIC24F Family Reference Manual，它詳細(xì)介紹了PIC24F微控制器家族的架構(gòu)和外設(shè)模塊，特別是其中關(guān)于Charge Time Measurement Unit (CTMU)的部分，這是電容式觸摸感應(yīng)演示的核心。另外，Device Data Sheets和Flash Programming Specifications能為我們提供設(shè)備特定的信息和規(guī)格，對(duì)開發(fā)工作非常有幫助。

二、開發(fā)板概述

2.1 開發(fā)板特點(diǎn)

PICDEM Touch Sense 2 Demo Board為開發(fā)各種電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的平臺(tái)。它的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，元件數(shù)量少，但卻能展示如何使用單個(gè)微控制器實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)輸出的USB啟用觸摸應(yīng)用。通過USB連接，開發(fā)板既能實(shí)現(xiàn)通信又能獲取電源，無需額外的外部電源供應(yīng)。而且，它還可以從PC上斷開，通過測(cè)試點(diǎn)供電以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能。

2.2 操作要求

要與開發(fā)板進(jìn)行通信和編程，我們需要滿足一定的硬件和軟件要求。一臺(tái)帶有CD - ROM驅(qū)動(dòng)器的PC兼容系統(tǒng)是必不可少的，同時(shí)PC上需要有一個(gè)可用的USB端口或一個(gè)供電的USB集線器。操作系統(tǒng)方面，支持Microsoft Windows XP SP2或32位的Windows Vista（不過目前僅對(duì)32位Windows Vista進(jìn)行了初步測(cè)試，64位版本暫不支持）。

2.3 初始設(shè)置

開發(fā)板預(yù)裝了演示應(yīng)用，開箱即用。不過，在首次將開發(fā)板連接到計(jì)算機(jī)之前，我們需要先安裝隨附CD上的軟件，以確保安裝了與開發(fā)板通信所需的USB驅(qū)動(dòng)程序。安裝過程會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，期間需要我們接受Microchip軟件許可證并確認(rèn)安裝目錄。

安裝軟件后，將提供的USB電纜（A到mini - B）連接到PC或供電集線器的可用USB端口，再連接到開發(fā)板的mini - B插座。連接正確后，開發(fā)板右側(cè)觸摸滑塊的LED會(huì)運(yùn)行一個(gè)動(dòng)畫“追逐者”序列，同時(shí)系統(tǒng)托盤會(huì)彈出消息，提示新硬件已找到、驅(qū)動(dòng)程序正在安裝以及新硬件已準(zhǔn)備好使用。如果遇到問題，可以嘗試拔下并重新連接USB電纜，若仍無法解決，可參考“故障排除”章節(jié)。

三、演示應(yīng)用

3.1 觸摸界面原理

演示應(yīng)用的觸摸感應(yīng)功能基于PIC24F微控制器的片上Charge Time Measurement Unit (CTMU)模塊。CTMU通過一個(gè)恒定電流源將觸摸電路充電到固定電壓水平。當(dāng)有額外電容（如手指觸摸）加入電路時(shí)，固定電流源會(huì)使電路充電到較低電壓，微控制器通過檢測(cè)這種電壓變化來感知觸摸事件。

開發(fā)板有四個(gè)不同的傳感器演示區(qū)域，分別是方向鍵盤、數(shù)字鍵盤、觸摸滑塊和“軟”電源控制。這些區(qū)域的傳感器通過CTMU監(jiān)測(cè)模擬輸入通道，而電路板頂層的電容式觸摸板傳感器與這些通道相連。頂層的丙烯酸層不僅保護(hù)了PCB頂層，還提供了觸摸位置的視覺提示。

3.2 觸摸靈敏度與傳感器持久性

觸摸傳感器的響應(yīng)受多種因素影響，如觸摸面積、電壓和電流水平、環(huán)境濕度、靜電積累等。演示應(yīng)用的固件在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了大部分這些因素，并基于典型環(huán)境值和某些假設(shè)常數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但該應(yīng)用本身不可調(diào)節(jié)。不過，我們可以通過PC端應(yīng)用程序更改傳感器的靈敏度，具體操作將在后面介紹。

傳感器的設(shè)計(jì)是對(duì)狀態(tài)變化事件做出響應(yīng)，即對(duì)觸摸做出反應(yīng)，而不是對(duì)觸摸和釋放都做出反應(yīng)。由于固件采用了緩慢的平均算法來適應(yīng)開發(fā)板環(huán)境的不斷變化，持續(xù)觸摸一個(gè)或多個(gè)傳感器會(huì)先產(chǎn)生持續(xù)響應(yīng)，幾秒后則不再響應(yīng)。移除觸摸刺激后，算法會(huì)重置，傳感器恢復(fù)響應(yīng)能力。需要注意的是，不要觸摸開發(fā)板的底部，否則會(huì)影響整體電容，導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的操作。

3.3 各個(gè)觸摸感應(yīng)演示

• 方向鍵盤：位于開發(fā)板左下角，呈8點(diǎn)羅盤玫瑰形狀，觸摸任何一個(gè)箭頭或中心圓圈，上方對(duì)應(yīng)的箭頭或圓圈會(huì)亮起。
• 數(shù)字鍵盤：是開發(fā)板上面積最大的應(yīng)用，由20個(gè)觸摸感應(yīng)鍵組成4x5的陣列，類似一個(gè)簡(jiǎn)單的四功能計(jì)算器。觸摸任何一個(gè)按鍵，其左上角和下方會(huì)亮起，并伴有聲音提示。
• 觸摸滑塊：位于開發(fā)板右側(cè)，形狀類似大感嘆號(hào)的上半部分。觸摸滑塊的任何位置，該位置會(huì)亮起，手指移動(dòng)時(shí)燈光會(huì)跟隨，手指移開后燈光停留在最后位置。
• “軟”電源控制：位于開發(fā)板最右側(cè)，標(biāo)有通用電源開關(guān)符號(hào)。觸摸該控制區(qū)域可打開或關(guān)閉開發(fā)板。關(guān)閉時(shí)，輕觸即可開啟；開啟時(shí)，需按住3秒才能關(guān)閉。開發(fā)板開啟時(shí)，觸摸滑塊會(huì)進(jìn)行“追逐者”顯示。

四、mTouch傳感解決方案

4.1 解決方案簡(jiǎn)介

mTouch傳感解決方案是一個(gè)多功能應(yīng)用程序，專為Microchip的許多觸摸感應(yīng)演示而設(shè)計(jì)。它為查看、調(diào)整和調(diào)試PICDEM Touch Sense 2 Demo Board上預(yù)加載的演示軟件提供了有用的工具，也可用于開發(fā)自定義應(yīng)用。

4.2 使用方法

在啟動(dòng)mTouch傳感解決方案之前，要確保開發(fā)板已連接到PC的USB端口或連接到PC的USB集線器，并且開發(fā)板正常運(yùn)行。啟動(dòng)程序后，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)窗口：Board窗口和Diagnostic Tool窗口。

• Board窗口：用于選擇要使用的Microchip硬件應(yīng)用和要檢查的子系統(tǒng)。默認(rèn)情況下，應(yīng)用程序配置為Microchip的PICDEM Touch Sense 1 Demo Board，我們需要選擇mTouch sensing solution 2標(biāo)簽，然后點(diǎn)擊相應(yīng)圖形選擇開發(fā)板的三個(gè)區(qū)域之一進(jìn)行診斷測(cè)試。
• Diagnostic Tool窗口：用于顯示所選硬件和子系統(tǒng)的各個(gè)傳感器或通道的狀態(tài)。根據(jù)所選的傳感器區(qū)域，窗口會(huì)顯示相應(yīng)數(shù)量的傳感器通道狀態(tài)顯示。每個(gè)傳感器的狀態(tài)顯示為條形圖，上方有指示燈，軟件檢測(cè)到觸摸事件時(shí)指示燈會(huì)變亮。條形圖顯示傳感器通道的A/D轉(zhuǎn)換值，還包括瞬時(shí)轉(zhuǎn)換值、移動(dòng)平均值、滯后值和觸發(fā)水平等信息。

4.3 全局診斷窗口設(shè)置

在Diagnostic Tool窗口中，我們可以通過Settings對(duì)話框更改所有傳感器的某些全局設(shè)置，以及開發(fā)板和診斷軟件的交互方式。具體設(shè)置包括：

• 全局限制區(qū)域：可以手動(dòng)設(shè)置所有條形圖的最小值和最大值，范圍為0到65535。輸入值并按鍵使設(shè)置生效，更改此設(shè)置會(huì)覆蓋自動(dòng)縮放功能。
• 啟用輪詢復(fù)選框：?jiǎn)⒂门c開發(fā)板的通信和傳感器信息的實(shí)時(shí)顯示。即使取消選中該復(fù)選框，mTouch傳感解決方案的USB部分仍保持運(yùn)行并與開發(fā)板通信。取消選中時(shí)，條形圖上會(huì)保留最后一次輪詢的值，再次選中時(shí)會(huì)顯示最新數(shù)據(jù)并恢復(fù)正常輪詢，可將其作為“凍結(jié)”或暫停按鈕使用。
• “Trip & Guardband”部分：配置mTouch傳感解決方案與開發(fā)板在保護(hù)帶和觸發(fā)點(diǎn)設(shè)置方面的交互。有兩個(gè)選項(xiàng)按鈕，“Default to Firmware Values”使觸發(fā)和保護(hù)帶值由開發(fā)板的固件計(jì)算，這些值會(huì)通過USB連接發(fā)送到mTouch傳感解決方案工具并不斷更新顯示；“Use Saved Values”使我們輸入到mTouch傳感解決方案的值通過USB發(fā)送到開發(fā)板并使用，這些值由用戶輸入且為靜態(tài)，只有用戶更改時(shí)才會(huì)改變。
• “Retention”區(qū)域：確定mTouch傳感解決方案的設(shè)置如何保存，包括條形圖的全局最小和最大限制、自動(dòng)縮放設(shè)置、觸發(fā)和保護(hù)帶設(shè)置、Aux1和Aux2設(shè)置等。選中“Save Settings When Finished”復(fù)選框（默認(rèn)），關(guān)閉mTouch傳感解決方案時(shí)所有設(shè)置會(huì)保存到PC的永久存儲(chǔ)中；點(diǎn)擊“Save Settings Now”按鈕可立即保存所有設(shè)置。不選中“Save Settings When Finished”，用戶可以根據(jù)需要使用“Save Settings Now”按鈕保存工作配置，退出并重新啟動(dòng)應(yīng)用程序可恢復(fù)“已知良好”的設(shè)置。

4.4 單個(gè)傳感器顯示設(shè)置

除了全局顯示設(shè)置，每個(gè)傳感器通道還可以單獨(dú)配置以調(diào)整其行為和特定顯示屬性。左鍵單擊任何通道的條形圖，會(huì)出現(xiàn)該通道的Setup對(duì)話框。在對(duì)話框的上部，我們可以為每個(gè)傳感器通道設(shè)置保護(hù)帶和觸發(fā)點(diǎn)的單個(gè)值，還可以選擇設(shè)置額外的參考點(diǎn)“Aux1”和“Aux2”，這些變量的有效范圍為0到65535，每個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)“Visible”復(fù)選框，用于確定該值是否在條形圖上顯示。需要注意的是，“Use Saved Values”選項(xiàng)按鈕必須設(shè)置，這些值才會(huì)有效并被開發(fā)板使用。

對(duì)話框的“Scale”區(qū)域用于手動(dòng)縮放條形圖，我們可以直接在文本框中輸入條形圖的下限（LL）和上限（UL）值，也可以使用滑塊和/或箭頭按鈕進(jìn)行設(shè)置，LL和UL的值范圍為0到65535，且UL必須大于LL?！癆utoscale R1”按鈕可自動(dòng)選擇條形圖要顯示的最小值和最大值。

4.5 傳感器數(shù)據(jù)繪圖和記錄

在Setup窗口中，點(diǎn)擊“Chart R1”按鈕可以啟用任何傳感器通道的數(shù)據(jù)記錄。點(diǎn)擊后會(huì)打開一個(gè)額外的窗口，顯示該通道的轉(zhuǎn)換值隨時(shí)間的變化曲線。按下“Chart R1”后立即開始繪圖，只要Plot窗口中的“Run”復(fù)選框被選中，繪圖就會(huì)繼續(xù)。按下“Clear”按鈕可擦除繪圖并開始新的繪圖。

繪圖窗口中觸摸傳感器值的范圍等于為條形圖設(shè)置的最小值和最大值。繪圖窗口的數(shù)據(jù)采樣和顯示速率最低為每秒10個(gè)樣本，通過更改“Num Points”文本框中的值可以改變顯示的數(shù)據(jù)量和時(shí)間軸的比例，默認(rèn)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為500。

“Log Data”復(fù)選框可啟用將通道數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄到文本文件（.txt擴(kuò)展名），文件名是觸摸傳感器通道名稱加上.txt擴(kuò)展名。選中該復(fù)選框后，會(huì)彈出對(duì)話框確認(rèn)文件名和工作目錄（默認(rèn)是C:Program Files MicrochipmTouch2），數(shù)據(jù)以與繪圖相同的速率（每秒5個(gè)樣本）記錄到文件中。

五、開發(fā)板硬件

5.1 應(yīng)用功能概述

開發(fā)板的操作由PIC24FJ256GB110微控制器管理，它只需要很少的額外硬件就能完成任務(wù)。預(yù)加載的演示應(yīng)用除了包含觸摸感應(yīng)演示代碼外，還使用了Microchip USB Stack Library的大部分內(nèi)容，為基于PC的接口應(yīng)用提供硬件接口。

觸摸感應(yīng)應(yīng)用使用微控制器的Charge Time Measurement Unit (CTMU)和所有16個(gè)A/D輸入通道來監(jiān)測(cè)觸摸界面。CTMU通過感知輸入電容的微小變化來確定觸摸事件的發(fā)生，開發(fā)板上的傳感器由精心布置的電路跡線和電容式觸摸板組成。

不同的傳感器區(qū)域使用不同數(shù)量的A/D通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)：

• 數(shù)字鍵盤：9個(gè)A/D通道用于監(jiān)測(cè)4x5陣列的數(shù)字鍵盤開關(guān)，每個(gè)“開關(guān)”由兩個(gè)通道的交錯(cuò)導(dǎo)體組成，通過同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)通道的電容變化來確定觸摸鍵的位置。
• 方向鍵盤：4個(gè)通道用于監(jiān)測(cè)方向鍵盤，傳感器由四個(gè)箭頭形狀的雙電容觸摸板組成，分別位于四個(gè)基本方位（北、東、南、西），相鄰的四個(gè)方位（東北、東南、西南、西北）和中心也有電容觸摸板?；痉轿坏挠|摸事件會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)通道的電容變化，非基本方位或中心的觸摸通過相鄰兩個(gè)通道或四個(gè)通道的同時(shí)變化進(jìn)行插值計(jì)算。
• 觸摸滑塊：2個(gè)通道用于監(jiān)測(cè)觸摸滑塊，滑塊由兩個(gè)大的相鄰電容觸摸板組成，從一側(cè)到另一側(cè)逐漸變細(xì)且方向相反，通過通道之間的電容差分變化來確定觸摸事件的位置。
• “軟”電源開關(guān)：剩余的1個(gè)A/D通道用于監(jiān)測(cè)開發(fā)板的“軟”電源開關(guān)，它是一個(gè)類似于數(shù)字鍵盤的交錯(cuò)電容觸摸板。開發(fā)板通電后，微控制器立即初始化演示應(yīng)用并進(jìn)入全功率模式。按下并按住電源開關(guān)約3秒，微控制器進(jìn)入低功率睡眠模式，每隔50毫秒監(jiān)測(cè)電源開關(guān)。觸摸電源開關(guān)會(huì)使應(yīng)用恢復(fù)到全功率運(yùn)行。

微控制器通過PORTC、PORTD、PORTE和PORTG的引腳直接驅(qū)動(dòng)61個(gè)LED，為觸摸事件提供視覺反饋。數(shù)字鍵盤的LED以4x5矩陣形式由PORTE驅(qū)動(dòng)，觸摸滑塊的線性LED顯示也以類似方式驅(qū)動(dòng)。此外，開發(fā)板還通過微控制器的PWM模塊生成音頻信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)壓電揚(yáng)聲器BZ1，為數(shù)字鍵盤的觸摸事件提供聲音反饋。

微控制器使用其片上USB引擎和收發(fā)器通過USB mini - B插座與PC端接口應(yīng)用進(jìn)行通信，開發(fā)板作為總線供電設(shè)備通過USB插座獲取應(yīng)用電源。同時(shí)，開發(fā)板上的Q1（MCP1702電壓調(diào)節(jié)器）將VBUS的+5 VDC轉(zhuǎn)換為開發(fā)板所需的+3.3 VDC。開發(fā)板還提供了一些接口，允許用戶添加組件以創(chuàng)建外部供電的應(yīng)用。對(duì)于想要將開發(fā)板用作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的用戶，可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口對(duì)微控制器進(jìn)行重新編程，開發(fā)板上提供了一個(gè)六針插頭用于連接任何MPLAB ICD 2兼容的編程器，為了減少觸摸板的整體電容，還提供了一個(gè)單獨(dú)的開關(guān)（S13）用于連接或斷開ICD線路與掃描線路。

5.2 開發(fā)板組件

開發(fā)板的關(guān)鍵硬件組件包括：

• PIC24FJ256GB110微控制器（U1）：為觸摸感應(yīng)演示應(yīng)用提供處理能力，具有256 Kbytes的閃存程序存儲(chǔ)器和16 Kbytes的RAM，為開發(fā)更復(fù)雜的觸摸感應(yīng)應(yīng)用提供了足夠的空間。微控制器使用8 MHz信號(hào)創(chuàng)建48 MHz的USB時(shí)鐘和32 MHz的應(yīng)用時(shí)鐘，通過晶體Y1和相關(guān)組件維持USB規(guī)范所需的頻率公差。
• USB mini - B插座（J3）：為開發(fā)板與PC端的演示應(yīng)用提供便捷的接口，同時(shí)為開發(fā)板提供電源。
• ICSP編程插頭（J1）：提供標(biāo)準(zhǔn)的Microchip ICD接口，用于對(duì)開發(fā)板上的應(yīng)用進(jìn)行編程和調(diào)試，可直接連接Microchip的PICkit串行編程器。還可以使用可選的RJ - 11適配器（Microchip Part # AC164110）進(jìn)行模塊化電纜連接。
• 電源供應(yīng)（D18/Q1）：將VBUS的+5 VDC轉(zhuǎn)換為開發(fā)板所需的+3.3 VDC。開發(fā)板上還提供了電路跡線，允許用戶創(chuàng)建非USB電源供應(yīng)，將9 VAC轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)后的+3.3 VDC和+5 VDC，用戶需要按照附錄A中的規(guī)格在指定位置安裝相關(guān)組件。
• 壓電揚(yáng)聲器（BZ1）：為演示應(yīng)用提供聲音反饋。
• 方向傳感器LED（D19 - 24, D26 - 27, D38）：為方向傳感器墊上的觸摸事件提供視覺反饋。
• 方向觸摸傳感器（ROT1）：電容式傳感器位于開發(fā)板的正面。
• 數(shù)字鍵盤（S1 - 12, S21 - 28, D1 - 10, D28 - 37）：包含觸摸鍵盤的傳感器和LED，電容式觸摸傳感器位于開發(fā)板的正面。
• 觸摸滑塊（S14, D12 - 17, D39 - 64）：包含觸摸滑塊的傳感器和32個(gè)LED組成的連續(xù)條形顯示，電容式觸摸傳感器位于開發(fā)板的正面。
• 電源觸摸開關(guān)（S20, D65）：包含開發(fā)板“軟”電源開關(guān)的LED和傳感器，傳感器位于開發(fā)板的正面。

六、故障排除

在使用開發(fā)板的過程中，可能會(huì)遇到一些問題，以下是常見問題及解決方法：

6.1 開發(fā)板無響應(yīng)

如果開發(fā)板對(duì)輸入沒有響應(yīng)（如觸摸鍵盤或觸摸傳感器時(shí)沒有燈光亮起），首先要檢查開發(fā)板的電源：

• 驗(yàn)證USB連接上是否有USB電源（VUSB，+5 VDC）。
• 如果開發(fā)板通過USB集線器連接到計(jì)算機(jī)，要確保集線器已供電且能夠?yàn)橄掠卧O(shè)備提供電源。
• 如果開發(fā)板直接連接到計(jì)算機(jī)，要驗(yàn)證所使用的USB端口是否活躍，可以嘗試切換到另一個(gè)端口。

開發(fā)板可能進(jìn)入了待機(jī)模式，此時(shí)可以輕按電源控制，如果開發(fā)板處于待機(jī)模式，電源控制LED會(huì)亮起，觸摸滑塊的條形圖會(huì)顯示“追逐者”序列。

6.2 觸摸傳感器靈敏度異常

如果觸摸傳感器對(duì)輸入異常敏感或不敏感（通常是不敏感），可能是開發(fā)板頂部的丙烯酸表面變臟了，可以用濕潤(rùn)（但不潮濕）的軟布輕輕清潔表面，只能使用水進(jìn)行清潔，不要使用玻璃清潔劑或商業(yè)溶劑。

同時(shí)，要檢查mTouch傳感解決方案軟件中傳感器的條形圖設(shè)置，開發(fā)板的觸發(fā)點(diǎn)和其他設(shè)置可能已被更改，影響了默認(rèn)操作?？梢栽赟ettings對(duì)話框中，驗(yàn)證是否選擇了“Use Firmware Settings”選項(xiàng)；如果選擇了“Use Saved Value”選項(xiàng)，需要將每個(gè)受影響通道的觸發(fā)點(diǎn)值更改為能產(chǎn)生適當(dāng)響應(yīng)的值。

6.3 開發(fā)板與mTouch傳感解決方案通信問題

如果開發(fā)板和mTouch傳感解決方案已正確安裝并運(yùn)行，但無法相互通信