Микроконтроллеры MSP430 FRAM технологией CapTIvate

Прадхум Рамкумар (Pradhyum Ramkumar)

ТI представила первые микроконтроллеры, которые предлагают сертифицированное решение в соответствии со стандартом IEC 61000-4-6, а также наиболее помехоустойчивые, с емкостными сенсорами.

Будучи лидером в сфере технологий, роль TI состоит в том, чтобы понять проблемы, с которыми могут столкнуться их заказчики, и разработать продукты, которые будут предоставлять решения, облегчающие реализацию инновационных технологий. Например, мы слышали от многих наших клиентов, которые разрабатывают промышленное оборудование, что они нуждаются в проектировании простых интерфейсов, которые могут переносить жёсткие эксплуатационные условия с учётом помех, грязи и жидкостей, препятствующих надёжной работе механических кнопок (рисунок 1).

Разработчикам промышленного оборудования необходимо иметь возможность проектировать простые и надёжные интерфейсы

Рисунок 1. Разработчикам промышленного оборудования необходимо иметь возможность проектировать простые и надёжные интерфейсы, чтобы переносить жёсткие условия эксплуатации

Для таких заказчиков мы рекомендуем технологию емкостных сенсоров, поскольку она предлагает и стимулирует экономически эффективную альтернативу механическим кнопкам в промышленных и коммерческих приложениях. Например, механические кнопки на кофейнике имеют швы, через которые жидкость и кофейная гуща могут проникнуть в корпус, потенциально вызывая повреждение. С сенсорным пользовательским интерфейсом (UI) прибор может быть защищён бесшовной металлической или пластиковой оболочкой.

Емкостной сенсор также делает возможными инновационные варианты для интерфейсов, которые увеличивают простоту использования для лучшего восприятия пользователем. Например, наушники могут использовать емкостной датчик приближения для обнаружения, что их не носят, так что они могут сами себя отключать и экономить энергию батареи. Наушники могут также предложить немеханический регулятор, который позволит пользователям легко настраивать громкость.

Емкостной сенсор допускает широкий диапазон различных возможностей, включая:

  • Кнопки, линейные и круговые полосы прокрутки. Инженеры теперь не ограничены недостатками механических кнопок. Поворотные и ползунковые элементы делают дизайн более эффективным, а интерфейс пользователя (UI) — интуитивным.
  • Надёжность. UIs на основе емкостных сенсоров неуязвимы к повреждениям подобно механическим кнопкам. Они также обеспечивают повышенную защиту от факторов окружающей среды.
  • Распознавание приближения и жестов. Обнаруживается, когда пользователи находятся в зоне действия системы, включается другой уровень управления питанием и производительностью. Кроме того, жесты позволяют пользователю взаимодействовать с системой интуитивно.
  • Массовое производство. Упрощённый дизайн и уменьшенное число компонентов снижают сложность системы и стоимость.
  • Эстетика. UIs с емкостными сенсорами имеют более изящный внешний вид, что является привлекательным для пользователей и они могут быть невидимы, пока не освещены. Приборы также легче поддерживать в чистоте.

Микроконтроллеры (MCUs) MSP430™ FRAM с технологией емкостных сенсоров

Чтобы помочь своим заказчикам в полной мере использовать преимущества UIs с емкостными сенсорами, TI создала новое семейство MCUs со сверхнизким энергопотреблением MSP430FR25x/26x и технологией CapTIvate™ (рисунок 2). Семейство MCUs было разработано, чтобы обеспечить простоту в мелкой и крупной бытовой технике, персональной электронике, системах автоматизации зданий и предприятий.

Первыми устройствами от TI для использования технологии CapTIvate™ являются MCUs

Рисунок 2. Первыми устройствами от TI для использования технологии CapTIvate™ являются MCUs на основе FRAM-памяти семейства MSP430FR25x/26x

Кроме эффективной архитектуры, MCUs MSP430FR25x/26x обладают технологией емкостных сенсоров с самым низким энергопотреблением в своём классе. Это делает семейство идеальным для реализации интерфейсов в таких устройствах, как электронные замки, работающие от батарей, портативная электроника и бытовые приборы, отвечающие требованиям стандарта ENERGY STAR®.

Технология предлагает характеристики, которые обеспечивают надёжную и безотказную работу в условиях помех и агрессивных сред, а также способность переносить влагу. Высокая чувствительность технологии CapTIvate™ допускает применение плотных покрытий для защиты оборудования и использование металлических панелей для реализации емкостных кнопок на металлической поверхности. Технология была разработана с учетом простоты использования, так что инженерам нет необходимости быть экспертами в емкостных сенсорах, чтобы получить преимущества UIs на их основе.

Как было сказано ранее, первыми устройствами для использования технологии CapTIvate™ от TI является семейство MCUs MSP430FR25x/26x с памятью FRAM. Интегрируя емкостной сенсор, как автономный входной аналоговый интерфейс к полнофункциональным FRAM MCU, TI даёт возможность разработчикам конструировать истинно однокристальные системы (рисунок 3). Архитектура MCU MSP430 обеспечивает достаточную вычислительную мощность, чтобы поддерживать операции, такие как управление LCD, LEDs, тактильную обратную связь или любые другие задачи управления системой, без необходимости наличия второго MCU. В этом состоит дополнительное преимущество для ускорения проектирования и снижения общей стоимости системы.

TI даёт возможность разработчикам создавать истинно однокристальные системы

Рисунок 3. Интегрируя технологию CapTIvate™ от TI как независимую периферию и полнофункциональные MCU, TI даёт возможность разработчикам создавать истинно однокристальные системы, которые могут точно обнаруживать прикосновения, даже когда CPU находится в спящем режиме

Технология CapTIvate™ является чрезвычайно чувствительной; она имеет возможность оценивать изменения ёмкости в пределах 10 фФ и охватывать широкий динамический диапазон ёмкости до 300 пФ, позволяя системам обеспечивать:

  • Надёжную работу с плотными покрытиями из стекла, до 60 мм.
  • Большую дальность обнаружения приближения, до 30 см
  • Улучшенное разрешение для линейных и круговых полос прокрутки, до 10 бит.
  • Уменьшение ложных срабатываний при наличии значительной паразитной ёмкости.
  • Малый форм-фактор за счёт возможности использования небольших электродов.

Микроконтроллеры MSP430FR25x/26x с технологией CapTIvate™ также могут сканировать 4 электрода одновременно за 500 мкс. Это позволяет улучшить подавление синфазных помех. Кроме того, быстрое сканирование и высокая чувствительность дают возможность создавать приложения с 3-мерной жестикуляцией.

Снижение влияния помех

Помехи являются основной проблемой, стоящей перед конструкторами емкостных сенсорных систем, так как помехи могут исходить от внутренних или внешних источников. Это может вызвать ложное срабатывание, что может быть опасно. Представьте себе индукционную печь, включающую сама себя из-за помех в линии питания. MCUs MSP430FR25x/26x имеют несколько функций, объединённых в кремнии, чтобы удовлетворять строгим требованиям приложений, которые должны работать в условиях помех и отвечать стандартам электромагнитной совместимости (EMC), включая IEC61000-4-4 для быстрых электрических переходных процессов (EFT), IEC610004-6 для синфазных помех (CMN) и IEC61000-4-2 для электростатического разряда (ESD).

Высокая эффективность технологии CapTIvate™ является важной для достижения лучшей помехоустойчивости. Большая чувствительность приводит к возможности иметь небольшие электроды или датчики. Входной аналоговый интерфейс также может поддерживать хорошую эффективность, даже когда система требует наличия длинных трасс на печатной плате. Технология CapTIvate™ минимизирует влияние помех, используя различные аппаратные механизмы управления:

  • Интегратор на основе переноса заряда. Метод функционирования позволяет технологии CapTIvate™ надёжно выполнять емкостные измерения.
  • Генератор тактовых сигналов. Генератор допускает передискретизацию и функцию скачкообразной перестройки частоты независимо от MCU’s DCO (генератор с цифровым управлением), что также увеличивает надёжность в условиях помех.
  • Входной контакт для синхронизации с переходом сигнала через нуль.
  • Тактирование в расширенном спектре. Этот метод тактирования уменьшает электромагнитные излучения, которые могут оказывать влияние на цепи системы.
  • Регулятор напряжения 1,5 В. Способность управлять датчиками при 1,5 В снижает излучения по сравнению с питанием их от более высоких напряжений.

Технология CapTIvate™ способствует улучшению надёжности посредством программной обработки сигнала. Среди алгоритмов обработки сигнала используются многочастотность, передискретизация, динамическая настройка порога, фильтрация помех переменного тока и устранение дребезга. Совместно это сочетание высокой производительности с аппаратными и программными функциями обеспечивает высокую помехозащищённость, предназначенную для того, чтобы помочь разработчикам достичь соответствия стандартам EMC. Например, пример проекта EMC с технологией CapTIvate™ оказывает устойчивость к электромагнитной помехе до 10 Vrms, а также ESD и EFT до 4 кВ пикового напряжения. Полный отчёт о тестировании можно получить от лаборатории компаниипартнера по ссылке: www.ti.com/lit/pdf/slay045.

MCU с емкостными сенсорами и самым низким энергопотреблением

Разработчики бытовых и промышленных проектов нового поколения сталкиваются с возрастающей необходимостью минимизации расходования энергии. MCUs MSP430FR25x/26x были разработаны, чтобы обеспечить самое низкое энергопотребление в своем классе для интерфейсов на основе емкостных кнопок, линейных и круговых полос прокрутки, а также датчиков приближения. Корпорация TI разработала несколько инновационных технологий, чтобы сделать это возможным.

Обычно контроллеры емкостных сенсоров, которые присутствуют сегодня на рынке, требуют CPU (процессорное устройство) для пробуждения и проверки электродов. Высокий расход энергии CPU в сочетании со временем, которое требуется для пробуждения, существенно влияет на расход энергии, требуемой для сканирования электродов. Это повышает потребление энергии, и расходуется до 20 мкА на один сенсор для сенсорных контроллеров сегодняшнего поколения.

В отличие от этого MCUs MSP430FR25x/26x имеют нулевое время пробуждения при прикосновении. Реализовано это как конечный автомат, который может активно отслеживать до 4 сенсоров прикосновения/приближения, пока CPU находится в спящем режиме. Когда происходит событие, конечный автомат пробуждает CPU для обработки этого события. Результатом является превосходная эффективность расходования энергии; когда сканируются 4 электрода, расходуется всего 0,9 мкА на один сенсор. Этот уровень эффективности помогает достичь соответствия требованиям ENERGY STAR и значительно увеличить время функционирования от одного дискового батарейного элемента. Для приложений, которые требуют более чем 4 электрода, MCU MSP430FR25x/26x расходует всего 1,7 мкА на кнопку (предполагается решение 16 кнопок с собственной ёмкостью или 64 кнопки с взаимной ёмкостью при частоте дискретизации 8 мГц).

Ферроэлектрическая память с произвольным доступом (FRAM) для увеличения эффективности энергопотребления

Промышленные приложения обычно требуют сохранения данных, когда система отключается или происходит сбой в питании. Технология MCU с памятью FRAM сочетает скорость SRAM (статическая память с произвольным доступом) с энергонезависимостью Flash-памяти для обеспечения устойчивости к нарушениям в работе с гибкостью и эффективностью в единой технологии памяти. Сравнимая по стоимости с Flash-памятью, FRAM-память предлагает лучшую скорость записи (в 100 раз быстрее), доступ для чтения (без состояния ожидания при скорости до 8 МГц), выносливость (фактически неограниченная при 1015) и эффективность использования энергии (в 6 раз лучше). Это делает FRAM универсальной памятью, которая может использоваться для кода программы и для данных. Разработчики получают гибкость при распределении, сколько памяти выделить для кода программы и сколько — для хранения данных. Это позволяет разработчикам устанавливать оптимальное использование памяти, даже когда изменяются технические требования без необходимости перехода на процессор с другой конфигурацией памяти.

MSP430FR2633 FRAM MCU позволяет инженерам быстро создавать различные приложения. Например, рассмотрим электронный дверной замок. Благодаря энергонезависимой FRAM-памяти замок может регистрировать информацию, как люди использовали дверь, когда использовали и правильно ли вводился код. Эта добавленная функциональность может быть реализована без отрицательного влияния на срок службы батареи или увеличения стоимости системы.

Собственная или взаимная ёмкость и обнаружение приближения. Бескомпромиссный дизайн

MCUs MSP430FR25x/26x предоставляют инженерам высокую степень гибкости при разработке систем на основе емкостных сенсоров, так как они поддерживают оценку собственной и взаимной ёмкости, а также обнаружение приближения, и всё в одной конструкции. Это позволяет разработчикам выбрать правильный метод считывания для задачи, которую они решают. Говоря простым языком, собственная ёмкость — это ёмкость между одиночным считывающим электродом и землёй, где палец пользователя играет роль земли. Это обеспечивает функциональность для приложений, которые требуют считывания на дальнем расстоянии (обнаружение приближения), высокую чувствительность, большую помехоустойчивость или сверхвысокое разрешение линейных и круговых полос прокрутки. В отличие от этого взаимная ёмкость характеризует ёмкость между передающим и принимающим электродами. Когда палец пользователя приближается и касается панели, ёмкость, измеренная между каждым электродом, изменяется. Взаимная ёмкость является идеальной для приложений, которые требуют большого числа кнопок, имеют сенсоры, которые близко расположены или требуется подавление влияния влаги. Это означает, что разработчики не должны идти на компромисс и отдавать приоритет одной части сенсорного интерфейса пользователя (UI) в ущерб другой.

Подавление влияния влаги

Для обеспечения надёжной работы пользователей UI должен быть устойчивым к воздействию влаги. Вода и другие жидкости имеют диэлектрическую проницаемость, отличную от воздуха, и являются проводящими, потенциально создавая множество проблем, которые должны решать инженеры. Это может привести к ложным считываниям в ряде сенсоров, особенно если жидкость скопилась на панели. Чтобы сделать возможным подавление влияния воды, технология CapTIvate™ может использовать специально предназначенный канал защиты для обнаружения аномалий, таких как изменение окружающих условий, чтобы приспособиться к ним. Сенсорная библиотека CapTIvate™ предоставляет программное обеспечение для обработки управления каналом защиты, упрощая создание надёжных систем для приложений, где присутствие воды является обычным делом.

Поддержка для пластмассовых, стеклянных и металлических поверхностей

Технология CapTIvate™ работает надёжно с пластмассовыми и стеклянными покрытиями. Высокая чувствительность технологии CapTIvate™ допускает использование стеклянных покрытий до 60 мм толщиной, а также пластмассовых покрытий толщиной 25 мм, тогда как металлические покрытия предусматривают другой метод для создания инновационных сенсорных решений. В случае металлических покрытий нажатие кнопки вызывает усилие, которое прогибает металлический лист, создавая небольшое изменение в ёмкости, определяемое сенсорами, смонтированными под панелью. Металлические покрытия позволяют конструкциям быть совершенно безразличными к грязи и жидкостям в окружающей среде. Поскольку прикосновение к металлу вызывает усилие, оно также фиксируется нажатием через перчатку. Кроме того, технология CapTIvate™ также различает и усилие прикосновения, делая возможными различные проекты человеко-машинных интерфейсов.

Корректировка для допусков при изготовлении

В процессе изготовления различия в толщине и размерах материалов могут негативно воздействовать на чувствительность. В результате способность реагирования систем может различаться от панели к панели. Вместо необходимости ручной настройки для компенсации производственных изменений технология CapTIvate™ может быть сконфигурирована для автоматической настройки коэффициента усиления и параметров входного аналогового интерфейса. Разработчики устанавливают ожидаемое вычисление ёмкости для определения прикосновения, и система настраивает себя, чтобы придерживаться этого исходного уровня. Также может быть включена автоматическая регулировка, позволяя системам непрерывно настраивать себя для поддержания быстродействия и чувствительности.

Улучшение сенсорных интерфейсов. Тактильность

Тактильность относится к механизму, который обеспечивает вибрационную обратную связь пользователям при нажатии кнопки. Применение тактильности может увеличить безопасность пользователя, повышая его уверенность, когда работающие устройства подтверждают входные сигналы UI посредством усиления обратной связи. Это приводит к более быстрому вводу, меньшим количествам ошибок и увеличению производительности. Например, 18%-ное сокращение лишних/повторных взглядов на интерфейс пользователя может быть достигнуто добавлением тактильной обратной связи [1].

Корпорация TI имеет самый широкий набор драйверов тактильных устройств в полупроводниковой индустрии и поддерживает эксцентричные вращающиеся массы (ERM), исполнительные механизмы на основе соленоидов, линейного резонанса (LRA) и пьезоэлектрические. Интеграция тактильного драйвера с MCU MSP430FR25x/26x является простой. Когда обнаруживается прикосновение, MCU посылает тактильный код через I2C-интерфейс тактильному драйверу. Это приводит в движение исполнительный механизм, создавая вибрацию.

Центр проектирования CapTIvate™. Гибкость и простота использования

Помимо того, чтобы быть технологией емкостных сенсоров с самым низким энергопотреблением, MCUs MSP430FR25x/26x являются также самыми простыми для проектирования. Разработчики всех уровней квалификации в программировании могут создавать решения для емкостных сенсоров с минимальными усилиями, фокусируясь на проектировании приложения, а не на мельчайших деталях. С помощью Центра проектирования CapTIvate™ разработчики могут начать настройку своих датчиков менее чем за 5 минут. Программное обеспечение доступно для Windows®, Apple® OS X® и Linux®. Руководство ниже показывает хорошо отлаженный пятиступенчатый процесс проектирования.

  1. Перетащить и разместить датчики в GUI:
    • Пример: 5 кнопок, 3-элементный ползунок и датчик приближения.
  2. Сконфигурировать каждый сенсор:
    • Собственная ёмкость или взаимная ёмкость
    • Выбор MCU MSP430FR25x/26x
    • Корректировка автоматически генерируемой конфигурации ввода/вывода.
  3. Настройка в реальном времени:
    • Отображение гистограммы/осциллограммы.
    • Настройка характеристики — порог касания, защита от дребезга, установки фильтра.
    • Оптимизация для помехозащищённости, энергопотребления, чувствительности, диапазона используемых меню.
    • Доступны рекомендации, чтобы показать инженерам, как легко установить пороги и проверить их.
  4. Автогенерация конфигурационного файла и полная компиляция в IDE Code Composer Studio™ или проекте IAR:
    • Корректировка проектов не требуется, если нет необходимости добавить код приложения.
  5. Компиляция встраиваемого программного обеспечения, запись во Flash и запуск на исполнение.

Библиотека сенсоров технологии CapTIvate™

TI обеспечивает обширную библиотеку сенсоров CapTIvate™ для реализации усовершенствованных функций помимо действующих емкостных сенсорных возможностей. Библиотека отображена в ROM, освобождая память MCU для использования приложением.

Библиотека предоставляет доступ к различным уровням приложения, включая:

  • Аппаратный абстрактный уровень (HAL). Доступ от «непокрытого металла» с определённой степенью защиты (IP) к периферии CapTIvate™.
  • Базовый сенсорный уровень. Доступ к основной функциональности обнаружения приближения и определения прикосновения, а также возможностям фильтрации.
  • Уровень расширенных возможностей. Обеспечивает обработку линейных и круговых полос прокрутки.
  • Уровень коммуникаций. Включает коммуникационные протоколы.
  • Последовательные драйверы нижнего уровня. Основные возможности интерфейса.

Эти уровни упрощают реализацию функциональности и предоставляют разработчикам доступ к расширенным возможностям, которые необходимы. Приложение уведомляется об обновлениях датчика через пользовательский механизм обратного вызова. Конфигурирование датчика автоматизировано с помощью Центра проектирования CapTIvate™, а заводские настройки и программирование могут быть выполнены одновременно.

Набор разработки MCU CapTIvate™

Для дальнейшего ускорения оценки и разработки TI предлагает широкий выбор плат разработки и наборов. Как пример, набор разработки CapTIvate™ MCU (MSP-CAPT-FR2633) позволяет разработчикам оценивать и проектировать емкостные сенсоры со всеми возможностями MCUs MSP430FR25x/26x (рисунок 4). Этот набор содержит в комплекте программатор/отладчик eZFET с технологией EnergyTrace™ от TI, печатную плату с процессором MSP430FR2633 MCU, отдельную печатную плату для работы от батареи и тестирования EMC/EMI и печатные платы датчиков для демонстрации характеристик взаимной, собственной ёмкостей и обнаружения приближения. Для ускорения разработки тактильности набор включает тактильный драйвер DRV2605,L встроенный в панель электрода CAPTIVATE-PHONE. Корпорация TI также предлагает набор для оценки тактильности DRV2605 и оценочную плату DRV2667, которая может быть использована с внешними исполнительными механизмами.

Набор для разработки MCU MSP430FR2633 с технологией CapTIvate™

Рисунок 4. Набор для разработки MCU MSP430FR2633 с технологией CapTIvate™ позволяет пользователям оценивать собственную и взаимную ёмкость, обнаружение приближения, жесты, а также металлические покрытия

Печатная плата датчика CapTIvate™ Metal будет доступна как дополнение комплекта для демонстрации характеристик прикосновения к металлической поверхности.

Документация и примеры проекта для технологии CapTIvate™

Руководство по технологии CapTIvate™ является единым инструментом для всей документации по этой новой технологии. Оно может быть доступно в Центре разработки CapTIvate™. Инструмент содержит подробную информацию для начала работы с технологией CapTIvate™ и современные темы проектирования по разработке датчиков, оптимизации для низкого энергопотребления, устойчивости к жидкостям и помехам. Также доступны примеры кода для разработчиков, чтобы быстро оценивать возможности архитектуры MSP430FR25x/26x MCU с технологией CapTIvate™ и ускорить выход на рынок. С MCUs MSP430FR25x/26x инженеры имеют возможность внедрять емкостные сенсоры в широкий спектр применений быстро и эффективно по стоимости. Емкостной сенсор адресован не только к надёжности механических кнопок, он делает возможными инновационные интерфейсы с различной функциональностью. Корпорация TI имеет технологию емкостных сенсоров с самым низким энергопотреблением, доступную в промышленности сегодня, и предлагает разработчикам экосистему средств, чтобы помочь им достичь эффективности и надёжности, необходимой даже для наиболее требовательных промышленных применений. Эти средства ускоряют разработку благодаря их гибкости и простоте использования, позволяя инженерам создавать надёжные системы с емкостными сенсорами без необходимости писать программные драйверы или становиться экспертами в области емкостных сенсоров.

Узнайте больше о технологии CapTIvate™: www.ti.com/CapTIvate

Литература

  1. Pitts, 2011: Page 8 from Mark Toth’s “TI Haptic Drivers for HMI”.