REP01.02.MTOUCH.NGMT.041208

Người báo cáo: Nguyễn Gia Minh Thảo Tài liệu: REP01.01 - Công nghệ MTouch Ngày: 12/4/2008 Trang: 1/27

Report no 01.01

Gửi đến: Phan Thị Xuân Thủy, Đoàn Hiệp , Nguyễn Trung Chính, Phan Minh Thành

Nội dung: Công nghệ MTouch MICROSOFT WORD

LỜI NÓI ĐẦU

Trong đợt thực tập tại công ty Thương mại và giao nhận R&P , tôi đã có cơ hội tiếp xúc với môi trường làm việc thực tế , học hỏi được nhiều kiến thức và kinh nghiệm . Một trong những mảng kiến thức mà tôi đã tiếp thu được trong đợt thực tập này là công nghệ MTouch . Đây là công nghệ của hãng MicroChip (www.microchip.com ), hứa hẹn có nhiều triển vọng trong tương lai. Trong bản báo cáo này, tôi sẽ trình bày các vấn đề liên quan về công nghệ MTouch như : Nguyên lý hoạt động , kỹ thuật thiết kế phần cứng , sơ đồ giải thuật chương trình theo phương pháp Capacitive Sensing …. Tôi xin chân thành cảm ơn cô Thủy (Giám đốc công ty R&P) , và các anh (chị) trong công ty : anh Hiệp, anh Chính, anh Thành, anh Hưng , anh Tuấn , chị Hương … đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều trong đợt thực tập này. Thành phố Hồ Chí Minh ,ngày 3/12/2008 NGUYỄN GIA MINH THẢO

http://www.microchip.com


MỤC LỤC

Phần 1: Giới thiệu về Mtouch , các ứng dụng thực tế và hướng phát triển

Giới thiệu ………………………………………………...trang 3 Các ứng dụng thực tế và hướng phát triển……………….trang 4

Phần 2: Cơ sở lý thuyết nguyên lý cho công nghệ MTouch …………………………………………………………….trang 5 Phần 3: Kỹ thuật thiết kế phần cứng và các vấn đề chống nhiễu cho sản phẩm ……………………………………………………………...trang 9 Phần 4: Sơ đồ nguyên lý của sản phẩm thử nghiệm do tôi thiết kế , Sơ đồ giải thuật của chương trình. ……………………………………………………………trang 15 Phần 5: Tổng kết các kết quả đạt được , nhận xét và đánh giá Hình ảnh về sản phẩm thử nghiệm ……………………….trang 22 Nhận xét và đánh giá ……………………………………..trang 24 Phần PHỤ LỤC: Các link tham khảo trên Internet ……………………………………………………………..trang 25


Phần 1:

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MTOUCH , ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG

PHÁT TRIỂN

1. Giới thiệu: - Mtouch là công nghệ thuộc quyền sở và được phát triển bởi công ty MicroChip

(www.microchip.com).

- Điểm nổi bật của công nghệ này là : người sử dụng chỉ cần chạm nhẹ vào các phím cần điều khiển , thay vì là phải ấn xuống các phím nhấn theo kiểu thông thường. Và công nghệ Mtouch sẽ giải quyết được vấn đề nhiều phím được nhấn cùng lúc (Multi – Touch)

- Ngoài ra , các sản phẩm sử dụng công nghệ Mtouch sẽ có độ bền cao hơn đối với công

nghệ Nhấn phím bình thường về : tác động cơ học , môi trường , sự hao mòn khi sử dụng lâu ngày…..

Hình 1.1: Miêu tả bàn phím kiểu Mtouch

2. Ứng dụng và hướng phát triển: - MTouch sẽ được ứng dụng cho việc thay thế kiểu phím nhấn bình thường. - Các bàn phím ứng dụng công nghệ Mtouch sẽ được ứng dụng nhiều trong các sản phẩm

gia đình và công nghiệp như: + Bàn phím điều khiển thiết bị trong gia đình : quạt , bóng đèn … + Các bàn phím điều khiển trong các thiết bị tự động trong công nghiệp, nơi mà các môi trường bụi bẩn, ẩm ướt , tần suất sử dụng phím nhấncao, …. Một số hình ảnh minh họa về khả năng hoạt động Tốt của sản phẩm ứng dụng công nghệ Mtouch trong môi trường: ẩm ướt , dính chất dẻo

http://www.microchip.com


Hình 1.2: Khi sử dụng trong môi trường ẩm ướt

Hình 1.3: Khi bị dính chất dẻo trên bề mặt

• Công nghệ Mtouch còn có thể kết hợp với các kỹ thuật truyền thông như: + Giao tiếp Nối tiếp (UART , SPI ,I2C ) để có thể kết nối với các thiết bị khác như: Máy vi tính , vi điều khiển ,các hệ thống nhúng …. + Không dây: sóng vô tuyến (RF) , hồng ngoại để tạo ra các bộ điều khiển từ xa cho các thiết bị gia đình như: Máy vi tính , máy điều hòa , bóng đèn , quạt …

Hình ảnh minh họa cho Một bàn phím đa chức năng của hãng MicroChip , ứng dụng công nghệ

MTouch:


Hình 1.4: Kit ứng dụng của hãng Microchip

*******************************

Phần 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ MTouch

1. Nguyên lý của Mtouch:

+ Mỗi phím cảm ứng (touch-pad) là một bản đồng (Copper Sensor) , đóng vai trò là một bản cực của tụ điện . Trên bản cực đồng này , sẽ được phủ một lớp bìa (Cover Plate ) cách điện – đóng vai trò làm điện môi. + Mỗi bản cực đồng này , tạo với đất danh định (Ground ) sẽ tạo thành một tụ điện có giá trị là pC

Hình 2.1: Cấu tạo của phím nhấn cảm ứng


+ Khi ngón tay con người chạm vào các phím cảm ứng này , vì bản thân người là một bản cực ,nên sẽ hình thành một tụ điện giữa phím cảm ứng và ngón tay . Giá trị của tụ điện này gọi là : fC

Hình 2.2: Tạo tụ điện cảm ứng fC khi chạm tay vào phím

à Lúc đó , sẽ có tụ pC song song với fC , nên giá trị của tụ điện Tương đương của hệ thống

sẽ là : _tuong duong p fC C C= + (1.1)

Hình 2.3: Tổng quan quá trình thay đổi giá trị điện dung *> Việc còn lại là nhận biết được sự thay đổi giá trị điện dung này để có thể nhận biết được phím nhấn nào đã được nhấn ???

2. Các phương pháp nhận biết sự thay đổi giá trị điện dung (của công nghệ Mtouch ) : Ở đây , có 4 phương pháp được đề xuất và sử dụng:


1. So sánh (Comparator ) 2. So sánh với bộ giữ (Comparator with SR latch ) 3. Cảm biến điện dung (Capacitive Sensing) 4. Tính toán thời gian Nạp của tụ ( Charge Time Mesuarement Unit) Trong 4 phương pháp này thì hai phương pháp thứ 3 ( Capacitive Sensing ) và thứ 4 (Charge Time Mesuarement Unit) được đánh giá cao hơn về mặt kỹ thuật và được ứng dụng nhiều hơn. Ở đây , tôi sẽ đi sâu vào phương pháp thứ 3 ( Capacitive Sensing ) và giới thiệu sơ qua phương pháp thứ 4 (Charge Time Mesuarement Unit)

a. Phưong pháp “Capacitive Sensing”: - Ta biết rằng , mỗi tụ điện sẽ có thời gian Nạp-Xả tụ phụ thuộc vào giá trị điện dung của

chính nó ( ở đây: giá trị điện trở “ngoài” (external-R) sẽ được giữ không đổi ). - Và khi ngón tay con người chạm vào sẽ làm giá trị điện dung thay đổi (Theo công

thức (1.1): giá trị điện dung tương đương sẽ Tăng lên), dẫn đến thời gian Nạp-Xả của tụ cũng khác đi (Thời gian Nạp-Xả cũng tăng lên ).

-

Hình 2.4: Thời hằng nạp-xả của tụ điện

Hình 2.5: Mô-đun chức năng Capacitive Sensing bên trong vi điều khiển PIC


Hình 2.6: Sơ đồ nạp-xả của tụ

• Nguyên lý của phương pháp “Capacitive Sensing” : Trong 1 khoảng thời gian không đổi, thì số CHU KÌ Nạp-Xả của tụ điện (nơi phím nhấn ) sẽ khác nhau giữa lúc bình thường (không có ngón tay người chạm vào ) và lúc có ngón tay người chạm vào.

Hình 2.7: Mô phỏng hiệu ứng ngõ ra khi ngón tay người chạm vào phím nhấn

b. Phương pháp “Charge Time Mesuarement Unit” (C.T.M.U)

+ Về nguyên lý chung thì cũng giống phương pháp Capacitive Sensing, nhưng ở phương pháp C.T.M.U ,ta sẽ đo giá trị thời gian Nạp Xả của tụ ,rồi suy ra giá trị điện dung của tụ (vì giá trị điện trở R đã biết trước ). + Khi đã có giá trị điện dung ở từng thời điểm khác nhau , sẽ phân biệt được khi phím được nhấn ( Khi đó giá trị điện dung sẽ lớn hơn so với bình thường)

**************************


Phần 3:

KỸ THUẬT THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ CHỐNG NHIỄU CHO SẢN PHẨM

*> Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế phần cứng:

Khi thiết kế sản phẩm ứng dụng công nghệ Mtouch , các vấn đề chính cần chú ý như sau: + Kích cỡ của phím nhấn đồng + Điều chỉnh khoảng cách giữa các cảm biến cảm ứng (phím nhấn) + Kích thước đường mạch in, chiến lược chạy mạch in tối ưu cho việc triệt nhiễu. + Tấm bìa phủ trên bề mặt ,để đóng vai trò là một điện môi phù hợp. + Ví dụ về cách tạo BÌA cho sản phẩm ứng dụng công nghệ MTouch

Hình 3.1: Hình mô phỏng tụ điện phẳng

1. Kích thước cho mỗi phím nhấn

+ Mỗi phím nhấn là một miếng đồng (copper-pad) sẽ có kích thước tối ưu là: Hình vuông - 12.7 mm x 12.7 mm ( hay 0.5” x 0.5” ) ( Giá trị này được chọn dựa trên kích cỡ của đầu ngón cái của người trưởng thành bình thường )


Hình 3.2: Tụ điện cảm ứng trong công nghệ MTouch

2. Điều chỉnh khoảng cách giữa các cảm biến cảm ứng (phím nhấn)

+ Khoảng cách giữa 2 phím nhấn gần nhau là: 4.7 mm ( hay:0.188” )

Hình 3.3: Hình chiếu thẳng góc của Nút nhấn cảm ứng trong PCB

+ Khoảng cách giữa 2 phím nhấn được chọn 4.7mm là nhằm hạn chế việc khi ngón tay chạm vào Phím nhấn cần nhấn ,sẽ không ảnh ưởng làm thay đổi giá trị điện dung của các phím nhấn xung quanh ( hay nói cách khác là: Tụ điện được tạo ra giữa

ngón tay với các phím xung quanh phím cần nhấn có giá trị điện dung fC không đáng kể )

Hình 3.4: Hiện tượng nhiễu đối với các nút nhấn cảm ứng gần nhau


+ Khi giá trị khoảng cách d đủ lớn à giá trị điện dung sẽ trở nên rất nhỏ

• Ngoài ra ,để đạt hiệu quả cao trong việc chống ảnh hưởng nhiễu giữa các phím nhấn gần nhau , người ta sẽ phủ MASS (ground) khoảng giữa 2 phím nhấn như hình sau:

Hình 3.5: Cách thức giảm nhiễu đối với các nút nhấn cảm ứng gần nhau

Lưu ý: Việc phủ MASS này sẽ giảm thiểu đáng kể giá trị điện dung của tụ 2FC và sẽ là bề mặt “che chắn” cho đường mạch in tín hiệu chạy ở mặt dưới – sẽ tránh nhiễu luôn trên dây tín hiệu

3. Kích thước đường mạch in, chiến lược chạy đường mạch in tín hiệu tối ưu cho việc triệt nhiễu.

+ Đường mạch in tín hiệu sẽ chạy ở mặt dưới của bản mạch in ( PCB- Bottom), mỗi phím nhấn sẽ có 1 lỗ Via để kết nối với đường mạch in tín hiệu .

Hình 3.6: Chiến thuật chạy đường mạch in tín hiệu


+ Để tránh trường hợp ngón tay người ,cảm ứng với đường mạch in tín hiệu , ta sẽ có chiến lược đi đường mạch in tín hiệu phía dưới lớp MASS được phủ ở mặt trên (PCB-Top) giữa các phím nhấn.

Hình 3.7: Phương pháp tránh ảnh hưởng của ngón tay người lên đường mạch in tín hiệu

Và tránh không đi vào phía dưới của một phím nhấn khác như hình sau:

Hình 3.8: Đường mạch in chạy bên dưới các phím cảm ứng

• Ngoài ra ,còn một số nguyên tắc bổ sung cần chú ý như sau: + Kích thước đường mạch in tín hiệu càng nhỏ càng tốt + Khoảng cách giữa các đường mạch in tín hiệu với nhau phải phù hợp, không nên quá gần à nếu không sẽ gây nhiễu , còn nếu quá xaà sẽ rơi ra vùng không được lớp MASS ở lớp trên che chắn.

Hình 3.9: Mặt dưới của bản mạch in – dùng công nghệ Mtouch


4. Hình ảnh về đường mạch in tín hiệu trong sản phẩm thử nghiệm:

Hình 3.10a: Mặt dưới của bản mạch in –sản phẩm thử nghiệm

Hình 3.10b: Mặt trên của bản mạch in –bàn phím sản phẩm thử nghiệm

• Ở đây ,ta thấy đường mạch in tín hiệu bên dưới được lớp MASS bao phủ


5. Tấm bìa phủ trên bề mặt ,để đóng vai trò là một điện môi phù hợp. + Lớp bìa càng mỏng, độ nhạy và độ chính xác của phím sẽ càng cao ,tuy nhiên không nên quá mỏng à Giá trị bề dày của lớp bìa này ( có thể là Mica hay Kính dẻo ) nên chọn từ: 2 mm -5 mm

Hình 3.11: So sánh giữa các tấm bìa có độ dày khác nhau + Phải chọn lớp điện môi có Hằng số điện môi phù hợp:

Hình 3.12: Hằng số điện môi của các loại vật liệu làm bìa khác nhau

• Ví dụ về trình tự tạo Bìa cho một một sản phẩm ứng dụng công nghệ Mtouch: 1>

Hình 3.13a: Tạo bìa (1)


2>

Hình 3.13b: Tạo bìa (2)

3>

Hình 3.13c: Tạo bìa (3)

***************************


Phần 4:

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA SẢN PHẨM ỨNG DỤNG ,VÀ SƠ ĐỒ GIẢI

THUẬT CHƯƠNG TRÌNH

1. Sơ đồ nguyên lý:

a. Giới thiệu sơ lược về vi điều khiển PIC16F727 của MicroChip:

Hình 4.1: Sơ đồ chân của PIC16F727

• Được sản xuất theo kỹ thuật RISC , hiệu suất cao • Tốc độ bus là 20Mhz , 200 ns/ một chu kì máy • Bộ nhớ Flash: 8K x 14 Word , Bộ nhớ RAM : 368 Bytes • Bộ dao động nội: 16Mhz hay 500 Khz • Điện áp hoạt động: 1.8 – 5V ,có chế độ tiết kiệm năng luợng • Có 35 chân xuất/nhập, có 1 chân chỉ là ngõ vào , dòng ra lớn • Có 4 bộ Timer: Timer 0 (8bit) , Timer 1 (16bit), Timer 2 (8bit) , W.Dog

Timer. • Có 16 kênh cho khối chức năng Capacitive Sensing. • 2 bộ chức năng: Capture( bắt giữ) , Compare ( So sánh), PWM (điều xung) • Truyền thông nối tiếp : Bất đồng bộ (SCI) , Đồng bộ ( SPI , I2C) • Tích hợp kỹ thuật nạp nối tiếp ( ICSP).


Hình 4.2: Sơ đồ khối chức năng Capacitive Sensing trong PIC16F727

b. Sơ đồ nguyên lý mạch ứng dụng:

( Gởi kèm theo bản BÁO CÁO này là file chương trình OrCAD: Schematic + Layout )



Hình 4.3: Schematic của sản phẩm thử nghiệm


2. Sơ đồ giải thuật cho chương trình:

Hình 4.3: Sơ đồ giải thuật cho chương trình

Trình tự trong Flow-Chart như sau: • Khởi động bộ chức năng Capacitive Sensing • Cho phép Ngắt toàn cục : Ngắt Timer 1 (chế độ đếm sự kiện ), chọn Timer0

hay Timer2 hay W.Dog Timer (để tạo thời gian quét: Base-timer) ( xem khối chức năng ở hình A)

• Chờ hết thời gian quét , sẽ xảy ra Ngắt các Timer 0 (hay Timer 2, W.Dog Timer) à Vào thực thi trong Hàm phục vụ ngắt

• Trong hàm phục vụ Ngắt , sẽ thực hiện các chức năng: + Đọc giá trị của Timer 1: TMR1 + Kiểm tra có phím nào nhấn không? ( Xem giải thích bên dưới ) + Tính toán lại giá trị Trung Bình cho lần kiểm tra tiếp theo. + Chọn kênh tiếp theo + Xóa cờ ngắt , nhảy ra ngoài chương trình chính. ( Chưong trình C được gởi KÈM THEO bản báo cáo này )


*** Cách Kiểm Tra có phím nào nhấn không ***

Hình minh họa

Hình 4.4: Các hình minh họa cho phương pháp Kiểm tra nút được nhấn


Phần 5

TỔNG KẾT CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

1. Hình ảnh về sản phẩm thử nghiệm –sử dụng công nghệ MTouch:

• Khi chưa chạm vào phím: Chỉ có Led báo nguồn sáng

Hình 5.1: Kết quả (1)

• Khi chạm tay vào 1 phím , 1 Led báo hiệu tương ứng sẽ sáng




• Khi nhấn nhiều phím (Multi-Touch):




2. Nhận xét và đánh giá: a. Các việc đã thực hiện đươc:

+ Tìm hiểu công nghệ MTouch và phương pháp Capacitive Sensing, Charge Time Measurement Unit. + Thiết kế Sơ đồ nguyên lý và Mạch in , viết chương trình cho sản phẩm thử nghiệm (theo phương pháp Capacitive Sensing) + Sản phẩm thử nghiệm hoạt động tốt , đạt yêu cầu chung + Thiết kế xong sơ đồ nguyên lý và mạch in cho sản phẩm thử nghiệm thứ 2 , ứng dụng phương pháp Charge Time Measurement Unit (C.T.M.U)

b. Một số vấn đề cần giải quyết:

+ Cần triệt nhiễu tốt hơn cho sản phẩm ứng dụng công nghệ MTouch như: Nhiễu do độ ẩm , do điện thoại di động….

+ Tối ưu hơn vê diện tích các Nút nhấn cảm ứng ,để có thể tích hợp tốt trong các sản phẩm ứng dụng. + Kết hợp với các kỹ thuật truyền thông không dây (hồng ngoại ,vô tuyến …) để thiết kế các bộ điều khiển từ xa cho các thiết bị gia đình và công nghiệp.

3. Một số giải pháp đề xuất cho các vấn đề của sản phẩm ứng dụng công nghệ MTouch

• Nhiễu do điện thoại : + Hiện tượng : Khi để điện thoại di động gần với các sản phẩm ứng dụng công nghệ Mtouch , sẽ làm cho vi điều khiển nhận lầm phím cảm ứng bị nhấn


+ Nguyên nhân: Đó là hiện tượng nhiễu tác động đến các chức năng Thời gian

của vi điều khiển , làm giá trị mức giới hạn ( Threshold ) bị thay đổi ( có thể tăng lên hay giảm xuống) . Dẫn đến hệ thống hoạt động bị sai + Khắc phục : - Thứ nhất: Có chế độ bảo về tốt cho các khu vực phím nhấn cảm ứng , các đường mạch tín hiệu, và đặc biệt là nơi Chip được hàn lên mạch - Thứ hai: Trong chương trình phần mềm , ta giảm giá trị giới hạn (Threshold) để giảm độ nhạy xuống , từ đó sẽ hạn chế nhiễu.

• Nhiễu do nước hay độ ẩm tác dụng lên bề mặt của phím cảm ứng: + Hiện tượng : Khi có nước tràn lên bề mặt phím nhấn , làm cho hệ thống tưởng như có phím bị nhấn + Nguyên nhân: Do lớp bìa trên bề mặt của phím cảm ứng không có độ dày thích hợp , không cách điện tốt. + Khắc phục: Thay đổi bằng loại bìa bằng mica hay kính trong ,có độ dày thích hợp, Yêu cầu là chống ẩm tốt.

• Nhiễu do nguồn cung cấp 5 VDC cho hệ thống vi điều khiển không ổn định + Hiện tượng : Khi chưa chạm vào phím ,ngón tay chỉ mới gần là đã báo có tín hiệu nhấn phím, và tác động đến nhiều phím xung quang


+ Nguyên nhân: Làm sai lệch điện áp chuẩn để so sánh trong bộ so sánh của chức năng năng nhận biết mức Nạp-xả tụ của vi điều khiển + Khắc phục : Có thể dùng bộ ADC ,lấy mẫu nhiều lần –lấy giá trị trung bình ,để tạo áp chuẩn so sánh. Áp chuẩn so sánh này không cố định ,mà sẽ thay đổi phụ thuộc áp nguồn ,nên sẽ loại bỏ được vấn đề này

• Tuy nhiên: Khi ta có thể quản lý tốt các nhiễu xảy ra , tính toán chính xác các giá trị tụ cảm ứng do nhiễu tạo ra thì có thể ứng dụng vào được cho ứng dụng multi-touch và cảm ứng xoay hay trượt trên vùng có diện tích lớn với độ phân giải cao.


Phần PHỤ LỤC

Các Link tham khảo trên internet:

• http://www.microchip.com/mtouch ( Mtouch homepage)

• http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=260

0&param=en535174 (Capacitive Sensing Module Guider )

• http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en533510 ( PIC16F72X datasheet )

• http://dientuvietnam.net/forums/showthread.php?t=19653 • http://www.youtube.com/watch?v=b1PjunQTSNw ( RP company’s MTouch)

-------------------------------------------- HẾT ----------------------------------------------

http://www.microchip.com/mtouch

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=260

http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en533510

http://dientuvietnam.net/forums/showthread.php?t=19653

http://www.youtube.com/watch?v=b1PjunQTSNw

REP01.02.MTOUCH.NGMT.041208

Documents