Complexe bedieningsinterfaces

Ook zonder display

Apparaten vragen om knoppen en regelaars om ze te bedienen. Dit kunnen fysieke schakelaars en potentiometers zijn, maar touch control heeft vele voordelen. Niet voor niets zien we dan ook dat touch screens overal terug te vinden zijn. Maar niet elk apparaat heeft een beeldscherm nodig. Microchip heeft daarom een kant-en-klare touchcontroller ontwikkeld met parallelle detectie voor knoppen, schuifregelaars en draaiknoppen.

Bediening door aanraking met behulp van een stukje elektronica dat onder een dikke glasplaat verwerkt is, kennen we van bijvoorbeeld inductiekookplaten. Bijna allemaal hebben ze dergelijke ‘drukknoppen’ die we door onze vinger op het juiste plekje op de kookplaat te leggen, bedienen.

Wat bij deze toepassing de voordelen zijn, zal vrij snel duidelijk zijn. Een dergelijke ‘schakelaar’ is namelijk veel goedkoper dan een normale schakelaar omdat zonder veel moeite een beschermingsgraad van IP67 gehaald kan worden. Voor een kooktoestel is dat vrij essentieel, maar niet alleen voor dit soort apparaten is touch-bediening een oplossing. Fabrikanten van huishoudelijke en industriële apparatuur zoeken voortdurend naar mogelijkheden om de productiekosten te verlagen. Een oplossing is het vervangen van displays door moderne bedieningspanelen zonder beeldscherm met een hoogwaardige afwerking en capacitieve aanraakbediening. En in deze panelen gaat het niet alleen om aanraakknoppen maar ook om schuifregelaars en draaiknoppen.

Voor de hier genoemde toepassingen zijn de MTCH3380P en MTCH3240P ontwikkeld (afbeelding 1). Zij zorgen voor snelle en betrouwbare aanraakdetectie in complexe bedieningsinterfaces, ook zonder display.

Het gaat hier om kant-en-klare capacitieve touchcontrollers waarmee fabrikanten aantrekkelijke bedieningspanelen zonder display kunnen ontwikkelen, met lagere systeemkosten en minder ontwerpwerk.

Tegelijkertijd

De MTCH3380P en MTCH3240P zijn de eerste controllers binnen het kant-en-klare touch-assortiment van Microchip die knoppen, schuifregelaars en draaiknoppen gelijktijdig kunnen uitlezen. Beide modellen ondersteunen bovendien de certificering voor functionele veiligheid volgens IEC/UL 60730 Klasse B en zijn geschikt voor gebruik bij temperaturen tot 105 °C. Daarmee zijn ze interessant voor huishoudelijke apparaten, buitentoepassingen en industriële systemen.

Dankzij het gelijktijdig uitlezen van meerdere sensoren kunnen beide controllers een groot aantal bedieningselementen verwerken zonder dat dit ten koste gaat van de reactiesnelheid of de betrouwbaarheid. Ook in omgevingen met elektrische storingen blijft de aanraakdetectie betrouwbaar.

Deze prestaties zijn mogelijk dankzij twaalf ADC’s die parallel op de chip werken. Hierdoor kunnen meerdere sensoren tegelijkertijd worden uitgelezen, zonder de vertragingen die bij conventionele controllers vaak optreden wanneer het aantal sensoren toeneemt.

De MTCH3380P ondersteunt maximaal 38 sensoren bij zelfcapaciteit (self-capacitance) en maximaal 64 sensoren bij wederzijdse capaciteit (mutual-capacitance). De MTCH3240P ondersteunt respectievelijk maximaal 24 en 32 sensoren.

Self-capacitance – zelfcapaciteit

Het verschil tussen self-capacitance en mutual-capacitance zit in de manier waarop een capacitieve aanraaksensor een aanraking detecteert. Bij self-capacitance meet de controller de elektrische capaciteit van één elektrode ten opzichte van de elektrische omgeving. Zonder aanraking heeft de elektrode een bepaalde elektrische capaciteit. Bij aanraking beïnvloedt je vinger het elektrische veld van de elektrode. Daardoor verandert de gemeten capaciteit. De controller registreert deze verandering en herkent de aanraking.

Deze techniek is relatief eenvoudig en kan een hoge gevoeligheid bieden. Ook aanrakingen door bepaalde afdekmaterialen heen zijn mogelijk. Een aandachtspunt is dat self-capacitance bij meerdere dicht bij elkaar geplaatste elektroden soms minder goed onderscheid kan maken tussen gelijktijdige aanrakingen.

Mutual-capacitance – wederzijdse capaciteit

Bij mutual-capacitance meet de controller de elektrische koppeling tussen twee elektroden: een zendelektrode (transmit, TX) en een ontvangstelektrode (receive, RX). Tussen beide elektroden wordt er een elektrisch veld opgewekt en is er sprake van een bepaalde wederzijdse capaciteit.

Bij aanraking verstoort je vinger het elektrische veld tussen de elektroden. De controller detecteert deze verandering in de koppeling en bepaalt of er een aanraking heeft plaatsgevonden.

Deze methode is bijzonder geschikt voor systemen met veel sensoren en voor toepassingen waarbij meerdere aanrakingen gelijktijdig moeten worden herkend. Voorbeeld: een bedieningspaneel met meerdere knoppen en schuifregelaars. De controller kan de afzonderlijke aanraakpunten detecteren en verwerken. De twee Microchip-controllers ondersteunen beide meetmethoden. De keuze hangt af van het ontwerp van het bedieningspaneel, het aantal bedieningselementen, de gewenste gevoeligheid en de eisen aan gelijktijdige aanrakingen.

Geschikt voor veeleisende toepassingen

De hoge aanraakgevoeligheid en goede storingsbestendigheid maken bediening mogelijk door relatief dikke afdekmaterialen heen. Ook wanneer gebruikers handschoenen dragen, blijft de aanraakdetectie betrouwbaar. Dat is vooral nuttig bij huishoudelijke apparaten zoals ovens, kookplaten, koelkasten en wasmachines, waar vocht en bediening met handschoenen regelmatig voorkomen.

Ook buitenshuis bieden de controllers voordelen. Denk aan laadstations voor elektrische voertuigen, parkeermeters en informatiekiosken. In deze toepassingen moeten de bedieningselementen bestand zijn tegen weersinvloeden en achter een beschermende afdekking betrouwbaar blijven functioneren, ook bij lage temperaturen.

Ontwikkeld voor kostenefficiënte ontwerpen

“Fabrikanten zoeken steeds vaker naar manieren om de systeemkosten te verlagen en tegelijkertijd gebruiksvriendelijke en aantrekkelijke bedieningsinterfaces te ontwikkelen. Naarmate bedieningspanelen zonder display meer aanraakfuncties krijgen, wordt het steeds moeilijker om een snelle en betrouwbare werking te garanderen”, zegt Giovanni Fontana, senior directeur van de divisie Human Machine Interface bij Microchip. “Met de MTCH3380P en MTCH3240P pakken we de uitdagingen van aanraakdetectie in bedieningspanelen zonder display aan. De controllers combineren een snelle meetcyclus met een hoge signaal-ruisverhouding, zodat apparaten ook onder veeleisende omstandigheden snel en betrouwbaar reageren.”

De controllers ondersteunen certificeringstrajecten voor functionele veiligheid volgens IEC 60730 Klasse B, waarbij fabrikanten zelf het certificeringstraject doorlopen. Daarmee helpen ze ontwikkelaars bij het realiseren van producten die aan de toepasselijke veiligheidsnormen moeten voldoen.

Microchip biedt daarnaast een compleet ontwikkelplatform met hardware, software en hulpmiddelen om het ontwerp, de evaluatie en het testen te versnellen. Tot de beschikbare hulpmiddelen behoren de ontwikkelomgeving mTouch Studio en evaluatie-hardware. Ook zijn hostdrivers beschikbaar voor Linux en Zephyr.

De schakeling

Afbeelding 2 toont dat eigenlijk alles is geïntegreerd in het IC. Extern zijn alleen wat condensatoren nodig voor de welbekende stabiliteit van de voedingsspanningen en weerstanden voor o.a. pull up van de communicatie-interface. Het gaat hier om een I²C-interface waarlangs de data vervoerd wordt richting de microcontroller die alle functies in de machine aanstuurt.

Om aan te geven dat er één of meerdere ‘schakelaars’ bediend worden, heeft het IC een interrupt-pin genaamd niet-CHG. Verder zijn er 5 GPO-aansluitingen die zowel als ingang als uitgang gebruikt kunnen worden.

Het schema in afbeelding 2 toont de schakeling rond de MTCH3380P. Voor de MTCH3240P ziet het schema er vergelijkbaar uit, alleen heeft dit IC minder X- en Y-aansluitingen en slechts 1 GPO-aansluiting.

Afbeelding 3 toont vervolgens een voorbeeld van een bedieningspaneel. Opvallend hieraan is de manier waarop ground en driven shields zijn aangebracht. Beide lopen rond de sensorvlakken heen, maar vormen zoals duidelijk te zien is bij de pijl bovenin geen gesloten lus. Eigenlijk is dit meer dan logisch omdat immers voorkomen moet worden dat deze printbanen loop-antennes vormen en EMC-problemen opleveren.

Wie de IC’s wil gaan gebruiken, moet de uitgebreide datasheet goed bestuderen. Ook al is alles geïntegreerd, er zijn de nodige restricties waar vooraf rekening mee gehouden dient te worden. Om het u wat gemakkelijker te maken, heeft Microchip evaluatieprinten (afbeelding 4) ontwikkeld die u kunnen helpen met het zetten van de eerste stappen.