可充電觸屏遙控模塊設(shè)計(jì)

　　簡(jiǎn)介

　　遙控設(shè)備在日常生活中非常易見(jiàn)，家電遙控器、玩具遙控器等方便了用戶對(duì)設(shè)備的控制。針對(duì)不同需求，遙控設(shè)備設(shè)計(jì)也不同，例如電視機(jī)遙控器不帶顯示屏，通常用紅外信號(hào)傳輸;空調(diào)遙控器則帶顯示屏，常用紅外(IR)和射頻(RF)傳輸信號(hào);另有一些高端遙控產(chǎn)品可通過(guò)手機(jī)等更新固件，實(shí)現(xiàn)版本的升級(jí)。本文介紹了一套用于遙控設(shè)備的通用方案，該方案支持 LCD 顯示;支持紅外通信且可擴(kuò)展射頻通信方式;用戶輸入采用觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)，時(shí)尚美觀;本方案預(yù)留NFC 接口，可擴(kuò)展 NFC 功能;在電源管理方面，支持電池供電，USB 充電和無(wú)線充電，方便實(shí)用。

　　1 原理介紹

　　1.1 電容式觸摸按鍵原理

　　觸摸按鍵在電子設(shè)備中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。用觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的電磁爐，微波爐，電冰箱等家電產(chǎn)品越來(lái)越受青睞，預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的觸摸按鍵產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵產(chǎn)品。觸摸按鍵具有堅(jiān)固耐用，反應(yīng)速度快，節(jié)省空間，美觀大方，易于清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)。觸摸式按鍵可分為四大類(lèi)，電阻式，電容式，紅外線式及表面聲波式感應(yīng)按鍵。其中電阻式，紅外線式和表面聲波按鍵主要應(yīng)用于觸摸屏中，在單個(gè)按鍵中很少使用。本方案將重點(diǎn)討論電容式觸摸按鍵在單個(gè)按鍵中的應(yīng)用。

　　電容式觸摸按鍵采用電容量為判斷標(biāo)準(zhǔn)，在觸摸按鍵的設(shè)計(jì)中，它具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如可直接集成在 PCB 中，觸摸感應(yīng)區(qū)域外形尺寸設(shè)計(jì)靈活，相對(duì)成本較低等等。簡(jiǎn)單來(lái)講，電容式觸摸按鍵在按下的時(shí)候改變了電容值，從而改變電路振蕩周期，通過(guò)對(duì)振蕩周期改變值的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的檢測(cè)。圖1 是電容式觸摸按鍵原理示意圖。

　　圖1 觸摸按鍵原理示意圖

　　空載狀態(tài)下，感應(yīng)區(qū)域電容由材料和結(jié)構(gòu)決定(圖1 左上圖)，電容值為C1+C2.變化電容基于寄生效應(yīng)，主要由外界導(dǎo)體與PAD 之間的寄生電容組成(圖1 右下圖)，手指按下，寄生電容值變化，容值為C1+C2+C3||C4。將此電容接入電路組成振蕩器，電容值的改變導(dǎo)致振蕩電路輸出頻率變化，通過(guò)測(cè)量輸出頻率判斷按鍵的觸發(fā)狀態(tài)。

　　按鍵感應(yīng)區(qū)域設(shè)計(jì)需要避免誤觸發(fā)以及兼顧靈敏度。通常來(lái)說(shuō)，單個(gè)按鍵感應(yīng)區(qū)域需要做的足夠大，以達(dá)到識(shí)別按鍵目的;相鄰按鍵感應(yīng)區(qū)域應(yīng)保持一定距離，避免誤觸發(fā);觸摸感應(yīng)區(qū)形狀原則上可任意，單個(gè)按鍵以圓形、方形為佳。

　　TI 的MSP430 支持多種觸摸實(shí)現(xiàn)方式，參考文檔[1]。

　　1.2 紅外信號(hào)傳輸原理

　　紅外遙控原理可參考文檔[2]。本文采用 NEC 協(xié)議編碼，簡(jiǎn)單說(shuō)是通過(guò)脈沖串之間的時(shí)間間隔來(lái)表示邏輯“0”和邏輯“1”。載波信號(hào)頻率為38k,邏輯“1”用 0.56ms 的38k 載波和 1.5ms的無(wú)載波表示，邏輯“0”用0.56ms 的載波和0.56ms 的無(wú)載波表示，幀頭用9ms 載波加4.5ms無(wú)載波表示。編碼幀格式參考圖2,具體格式定義可根據(jù)實(shí)際情況稍作修改。

　　圖2 紅外編碼數(shù)據(jù)幀格式

　　TI 的 MSP430 系列 MCU 自帶 Timer，可方便產(chǎn)生 38k 載波，編碼時(shí)的載波有無(wú)控制可由Timer 的 PWM 輸出模塊實(shí)現(xiàn)[3]。其 PWM 輸出模塊可配置成7 種輸出方式，可方便實(shí)現(xiàn)上述編碼。采用MSP430 的Timer 的PWM 輸出功能，僅需要一個(gè)Timer 和一路PWM 即可輕松實(shí)現(xiàn)紅外編碼，無(wú)需額外硬件，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。為系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　1.3 可充電觸屏遙控模塊方案設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的遙控模塊采用機(jī)械按鍵實(shí)現(xiàn)，本方案采用觸摸按鍵設(shè)計(jì)，按鍵和顯示在同一塊LCD 屏上，外形時(shí)尚、美觀。本方案作為參考設(shè)計(jì)，除了遙控器基本功能(按鍵，顯示，發(fā)射，按鍵聲)外，還設(shè)計(jì)了充電和USB 模塊，并擴(kuò)展了RF 和NFC接口?？沙潆姺绞教岣吡遂`活性，用戶僅需要充電而不必更換電池。USB 模塊可實(shí)現(xiàn)和PC 端應(yīng)用軟件通信。本方案不僅僅是遙控器方案，在其他應(yīng)用領(lǐng)域，本方案也有很大的參考價(jià)值，用戶僅需要根據(jù)需求對(duì)本方案功能模塊進(jìn)行裁剪即可。本方案電源模塊支持電池供電和USB 或直流適配器充/供電;觸摸按鍵采用比較器B實(shí)現(xiàn);RF 和NFC 模塊采用SPI 和MCU 接口;MSP430自帶的USB 模塊可方便與PC 端應(yīng)用軟件接口，實(shí)現(xiàn)PC 和MCU 的雙向通信。系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

　　圖3 系統(tǒng)框圖

　　2 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1.1 電源模塊設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用電池供電，且設(shè)計(jì)了充電電路，支持USB或直流充電。電源經(jīng)LDO穩(wěn)壓后輸出3.3V 供給MCU，保證MCU 工作電壓的穩(wěn)定。其電路實(shí)現(xiàn)如下圖4 所示。

　　圖4 電源模塊電路設(shè)計(jì)

　　2.1.2 LCD及背光模塊設(shè)計(jì)

　　MSP430F6638自帶LCD控制器，可方便地驅(qū)動(dòng)段式LCD屏。屏幕背光亮度由Timer輸出PWM波控制，調(diào)節(jié)方便。背光電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。通過(guò)改變PWM 的頻率和占空比，可改變背光亮度，從而改變LCD屏視覺(jué)效果。

　　圖5 背光電路設(shè)計(jì)

　　2.1.3 觸摸按鍵設(shè)計(jì)

　　MSP430F6638自帶比較器B，最多可支持12個(gè)觸摸按鍵，比較器B的輸出接入Timer的CLK 輸入端，當(dāng)手指按下，觸摸感應(yīng)區(qū)電容值發(fā)生了變化，比較器翻轉(zhuǎn)周期變長(zhǎng)，比較器輸出作為 Timer 的計(jì)數(shù)脈沖，在固定的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值變小，根據(jù)固定時(shí)間內(nèi)Timer 計(jì)數(shù)值的變化來(lái)判斷按鍵動(dòng)作。通過(guò)合適配置寄存器和軟件算法處理，可實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵檢測(cè)。電路設(shè)計(jì)如圖 6 所示。注意為了降低噪聲，每通道外接電阻不宜過(guò)小，可選500k 左右。比較器B 翻轉(zhuǎn)電平通過(guò)配置寄存器實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)參考手冊(cè)[3]。

　　圖6 觸摸按鍵電路設(shè)計(jì)[!--empirenews.page--]

　　2.1.4 紅外發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

　　紅外模塊采用普通紅外管實(shí)現(xiàn)，通過(guò)配置Timer輸出合適的PWM波實(shí)現(xiàn)紅外編碼。紅外發(fā)射瞬間電流較大，通過(guò)MCU 的GPIO控制三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射燈管，提高發(fā)射電流。紅外發(fā)射模塊需配合接收模塊采用同樣的編碼格式實(shí)現(xiàn)通信。紅外模塊電路圖如圖7 所示。

　　圖7 紅外發(fā)射模塊

　　2.1.5 USB模塊設(shè)計(jì)

　　MSP430F6638自帶USB模塊，可實(shí)現(xiàn)USB通信，其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。本文用USB虛擬UART 實(shí)現(xiàn)和PC 通信。關(guān)于USB 調(diào)試請(qǐng)參考TI 官網(wǎng)資料[4]。

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　2.2.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件流程如圖8 所示。無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行RTC，顯示當(dāng)前時(shí)間，溫度且把時(shí)間，溫度以及按鍵狀態(tài)(每個(gè)按鍵動(dòng)作有無(wú))信息發(fā)送給PC。當(dāng)有按鍵按下后，除了上述功能外，系統(tǒng)還將執(zhí)行按鍵上層邏輯，比如是否進(jìn)入時(shí)間設(shè)定模式，是否開(kāi)蜂鳴器以及發(fā)射哪種紅外碼等等。

　　圖8 軟件流程圖

　　2.2.2 PC端軟件設(shè)計(jì)

　　為了方便實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使用C Sharp語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了配套的PC端軟件實(shí)現(xiàn)和MCU的雙向通信。通過(guò)PC端軟件可查看DEMO的當(dāng)前狀態(tài)，包括時(shí)間，溫度，按鍵動(dòng)作等，另外也可通過(guò)PC 端改變DEMO 背光的亮度。PC 端軟件如圖9所示。

　　圖9 PC 端軟件

　　DEMO 通過(guò)USB線與PC端COM口連接，MSP430F6638 的 USB 通過(guò)軟件協(xié)議虛擬UART，在PC端選擇合適的COM 端口號(hào)可實(shí)現(xiàn)PC軟件和 DEMO 的互連。圖9中左圖反映DEMO 的實(shí)物，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的按鍵圖標(biāo)閃爍一下，同時(shí)在記錄框輸出文字記錄這個(gè)動(dòng)作(Button xx Pressed!)。最下面圖表則實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度信息。

　　2.3 DEMO展示

　　DEMO 實(shí)物如圖10所示。鍵盤(pán)區(qū)12個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵按下圖標(biāo)會(huì)閃爍一下，同時(shí)蜂鳴器會(huì)響0.3s左右。每個(gè)按鍵做了不同功能，可根據(jù)需求發(fā)射不同的紅外碼實(shí)現(xiàn)遙控器的功能。演示DEMO中代碼支持RTC和溫度計(jì)功能，支持靈活調(diào)整時(shí)間，同時(shí)可通過(guò)PC端軟件來(lái)調(diào)節(jié)屏幕背光。DEMO還可擴(kuò)展光傳感模塊，可根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)弱智能調(diào)節(jié)背光亮度，達(dá)到較好的視覺(jué)效果。

　　該DEMO具有通用性，在所有需要顯示和人機(jī)交互的微控制系統(tǒng)中均可參考此方案，只需對(duì)FW 做簡(jiǎn)單修改即可實(shí)現(xiàn)所需功能。同樣，MSP430 系列眾多的產(chǎn)品線為客戶提供了不同成本的多種選擇?？蛻艨筛鶕?jù)具體需求選擇合適的MCU和合適的代碼模塊組合，以實(shí)現(xiàn)最高的性價(jià)比。

　　圖10 DEMO 實(shí)物

　　3 總結(jié)

　　本方案使用MSP430F6638 作為主處理器，展示了用其實(shí)現(xiàn)觸屏遙控器的電子模塊設(shè)計(jì)實(shí)例。在遙控器，無(wú)線設(shè)備以及其它需要按鍵和顯示的應(yīng)用場(chǎng)合均可參考本方案。MSP430 豐富的產(chǎn)品線也為前述應(yīng)用場(chǎng)合提供了豐富的選擇，客戶可根據(jù)具體需求選擇合適的產(chǎn)品，達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比。