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Mikrocontroller für Berührungssteuerungen
Tausend Mal berührt
Kaum ein elektronisches Gerät kommt ohne Bedienelemente aus. Doch Taster und Schieberegler
erfuhren in den letzten Jahren einen starken Wandel – weg von mechanischen Bauteilen,
hin zu Berührungssteuerungen. Dank der technischen Entwicklung lassen sich nun individuell
gestaltete Bedienoberflächen günstig herstellen.
Fand man Touch-Technik früher nur als
Touchscreens auf Computermonitoren, so
dringt sie immer mehr auch in Bereiche der
Gerätesteuerungen vor. Jedoch anders als bei
den Touchscreens geht es bei der Berührungssteuerung mit Mikrocontroller meist um den
Ersatz von Tastern, Rädern und Schiebereglern. Also eine deutlich kleinere Fläche mit
weniger Detektionspunkten. Die Vorteile gegenüber den mechanischen Bauteilen liegen
auf der Hand. Die neuen Bedienelemente sind
widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse,
besitzen keine mechanischen Bauteile, die
verschleissen, und lassen sich platzsparend
integrieren. Viele Mikrocontrollerhersteller
haben diesen Trend erkannt und bieten spezielle Lösungen an. Für eingebettete Systeme
haben sich folgende Prinzipien etabliert: kapazitiv, induktiv und resistiv. Jedes von ihnen
hat seine eigenen Vor- und Nachteile.
Mit den RenesasR8C-µC lassen sich
Knöpfe oder
Schieberegler
aufbauen
Kapazitive Steuerung häufigstes Prinzip
Das wohl häufigste Prinzip ist die kapazitive
Berührungssteuerung. Der Sensor besteht
aus einer Elektrode, die als Kupferfläche auf
der Leiterplatte aufgebracht ist. Es ist weit
verbreitet, da es einfach und kostengünstig
zu realisieren ist. Vor allem im Lebensmittelbereich und bei medizinischen Anwendungen erfordert die Hygiene möglichst leicht zu
reinigende, geschlossene Bedienoberflächen.
Mit kapazitiven Berührungssensoren lassen
sich Bedienelemente wie Knöpfe, Schieberegler und Räder aufbauen.
Die Funktionsweise basiert darauf, dass
der berührende Finger die Kapazität des Kondensators verändert. Die Messverfahren lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen:
■ I. Ladungstransfer: Zwei Kondensatoren,
ein unbekannter Elektroden- und ein
«Eimerkondensator» werden mit bekannten Werten geladen. Bei der anschliessen-
■
den Parallelschaltung fliesst ein Teil der
Ladung des Eimers in den Elektrodenkondensator. Aus der danach gemessenen
Spannung über den Kondensatoren lässt
sich auf die Kapazität des Elektrodenkondensators schliessen.
II. RC-Schwingkreis: Eine Betätigung verändert die kapazitive Komponente eines
Schwingkreises oder Zeitglieds. Durch
die Ermittlung der Schwingfrequenz oder
durch wiederholtes Anregen des Schwingkreises werden Ein-/Ausschwingvorgänge
angestossen, ausgemessen und aus dem
Messergebnis auf die Betätigung des Bedienelements geschlossen.
Auf EMV-Festigkeit muss man achten
Beim Entwurf kapazitiver Berührungssteuerungen gilt es, besonders auf die EMV-Festigkeit der Schaltung zu achten. Die Messeingänge bleiben praktisch offen, was gegen die
Beschaltungsempfehlungen vieler gängiger
Mikrocontroller verstösst. Die Detektion wird
durch wechselnde Umwelteinflüsse wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit erschwert. Auch
Wasser hat einen erheblichen Einfluss auf die
Berührerkennung. Diese Nachteile können jedoch durch einen angepassten Hardwareaufbau und entsprechende Software vermindert
werden. Daran, dass diese Bedienoberfläche
ausschliesslich mit dem blossen Finger oder
mittels speziellen Stiften betätigt werden
kann, lässt sich nichts ändern.
Induktive Berührerkennung erlaubt
den Knackfrosch
Die induktive Berührerkennung nutzt minimale mechanische Bewegung induktiver
Komponenten. Die Bewegung verändert einen Schwingkreis. Dies kann schon im einbis zweistelligen Mikrometerbereich erkannt
werden. Derartige Lösungen werden vorrangig im Industriebereich eingesetzt, da sie sehr
robust sind.
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Durch die reversible mechanische Verformung der Berührungsfläche wird eine taktile
Rückmeldung möglich (Knackfrosch) und versehentliches Schalten nahezu ausgeschlossen.
Zwar sind induktive Berührsensoren ebenfalls von Umwelteinflüssen betroffen, jedoch
gegenüber dem kapazitiven Prinzip sind diese wesentlich geringer. Zudem kann man den
Taster mit einem Handschuh oder einem Stift
betätigen. Auch elegante metallische Oberflächen sind damit denkbar. Die Nachteile dieses
Prinzips sind höherer Strombedarf und die
Tatsache, dass sich damit keine Schieberegler
oder Räder entwickeln lassen.
Resistive Sensoren benutzt man oft
als Folienvorsätze
Resistive Berührsensoren sind häufig als Folienvorsätze für Bildschirme ausgeführt, aber
auch Tasten, Schieberegler und Räder sind damit möglich. Über den Druck der Berührung
lässt sich mittels Messung zweier Widerstände die Berührstelle ermitteln. Hier wird aus
der Änderung des Widerstandswerts auf die
Betätigung des Bedienfelds geschlossen. Die
Messung erfolgt mittels Analog-Digital-Wandler und wird so von sehr vielen Mikrocontrollern unterstützt. Der Unterschied liegt hier
bei der maximalen Anzahl der Stützpunkte,
die zur Berührerkennung dienen, und somit
der Auflösung und Grösse der Bedienfläche.
Auch das resistive Prinzip reagiert unabhängig vom Auslöser der Betätigung. Der
Nachteil dieser Technik liegt darin, dass die
Folie mit jedem Tastendruck verschleisst. Daher sollte man Anwendungen, bei denen man
extrem häufig eine bestimmte Taste drückt,
mit anderen Technologien realisieren.
iPhone machte Multitouch populär
Das Multitouch-Verfahren ist noch relativ
neu, erfreut sich jedoch – dank iPhone – bereits grosser Popularität. Das Erkennen und
Auswerten mehrerer Berührpunkte gleichzeitig eröffnet Spielraum für zusätzliche Bedienarten. Beliebt ist vor allem das Vergrössern
und Drehen von Bildern, indem man lediglich
zwei Finger voneinander weg bewegt oder sie
umeinander rotiert.
Das Verfahren wird mit unterschiedlichen
Vorsätzen realisiert: Resistive Varianten kommen als Single- und Multitouch mit Mehrfingersteuerung zum Einsatz. Für eine Totalreflexion gibt es optische Vorsätze.
Touch-Mikrocontroller im Vergleich
Die 8-Bit-Mikrocontrollerfamilie R8C/33T von
Renesas verfügt über eine On-Chip-Hardware
und eine Sensor-Control-Unit zur kapazitiven
Touch-Erkennung. Damit lassen sich bis zu
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Microchip vereint
seine Mikrocontroller
für Berührungssteuerungen unter dem
Namen mTouch
18 einzelne Elektroden detektieren. Es lassen
sich Knöpfe oder Schieberegler aufbauen. Dabei sollte die Materialdicke vor dem elektronischen Sensor bei Glas 4 und bei Acryl 2 mm
nicht übersteigen. Die Sensorsignalauswertung erfolgt in Real-Time und belastet die CPU
mit rund 20 Prozent. Basis für die R8C/33TModelle ist das Ladungstransferprinzip, die
Controller der Familie 78 K0 und 78 K0R arbeiten nach dem Schwingkreis-Wirkprinzip.
Eine intuitive Schnittstelle zwischen
Mensch und Maschine erlauben die inTouch800-Lösungen von Infineon. Die 8-BitMikrocontroller der XC 82x- und XC 83x-Serien mit einem «T» (z.B. XC 822 T) bieten eine
Hardwareunterstützung für die kapazitive
Berührsteuerung. Hierfür stehen bis zu acht
unabhängige Kanäle zur Verfügung. Ihr Erkennungsverfahren ähnelt dem Schwingkreisprinzip.
Bei den STM-Touch-Modellen handelt es
sich um Standard-STM8- bzw. -STM 32-Kerne
mit spezieller Hardware. Der STM 32T ist spezialisiert auf die resistive Multitouch-Erkennung. Sowohl für den STM8L als auch für den
STM8S stehen spezielle Softwarebibliotheken
zur kapazitiven Touch-Erkennung zur Verfügung. Während der STM8S das Schwingkreisprinzip verwendet, setzt die Low-Power-Variante STM8L auf das Ladungstransferprinzip. Der STM8T 141 ist auf die Erfassung eines
einzigen Touchbuttons und der Detektion einer Annäherung auf Basis des Schwingkreisprinzips spezialisiert.
Microchip vereint diese Produkte unter
dem Namen mTouch. Aus jeder Familie der 8-,
16- oder 32-Bit-Standard-PIC-MCU bzw. der
16-Bit-dsPIC-DSC gibt es Derivate, die spezielle Hard- und Software zur Touch-Erkennung
nutzen. Hierbei sind alle drei Arten kapazitiv,
induktiv und resistiv abgedeckt. Die zuständige integrierte Peripherieeinheit ist die CTMU
(Change Time Measurement Unit). Beispielsweise der PIC 16 F 707, ein 8-Bit-Mikrocontroller, hat zwei CTMU integriert und kann somit
32 Touch-Kanäle bedienen.
STM8S-Touchboard – bei diesem Controller
kommt das Schwingkreisprinzip zum Einsatz
Für die Touchscreen-Lösung bietet Microchip spezielle Touchscreencontroller AR 10x0.
Für alle Derivate und Methoden stellt Microchip ausführliche Applikationsnoten und Entwicklungskits zur Verfügung.
Einen Ersatz für viele Schalter bietet der
Touch Sensor Controller (TSC) von Fujitsu.
Beim FMA 1127 kommt ein rein digitales
Verfahren zum Einsatz, das viele Nachteile
der analogbasierten Verfahren vermeidet. So
wird ein Grossteil der Umwelteinflüsse schon
in der Hardware neutralisiert. Ausserdem
kann er Kapazitätsänderungen im zweistelligen Femtofarad-Bereich detektieren und mit
0,2 ms sehr schnell darauf reagieren. Eine detektierte Berührung kann der FMA 1127 über
eine I2C-Schnittstelle an den Host-Mikrocontroller senden.
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