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天南地北客
发表于: 2018-8-7 23:06:17 | 显示全部楼层

本篇文章主要介绍如何设计一个支持带LED和触觉反馈的定制电容式触摸面板的电路。


MSP430FR2633是一款低功耗微控制器,带有多个GPIO和电容触摸引脚。本篇文章创建了一个四按钮和带有LED和触觉反馈的四环滑动电容式触摸电路。


在本文中,我们将介绍电路的功能、连接方式和硬件。我还将分享制作定制电路板的复杂性,这对于那些使用DipTrace的人或任何想要更好地理解Gerber文件生成方式的人都有帮助。


让我们开始吧。


关于电路

该设计围绕三个集成电路构建:德州仪器MSP430FR2633IDA是中央微控制器;Silicon Labs CP2102N提供USB到串行接口;德州仪器DRV2605L提供触觉反馈。

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上面显示的是控制接口的两个版本。右侧的设计用于说明焊盘设计和布局,但由于对控制IC的潜在ESD损坏,不会用于最终设计


微控制器

TI的MSP430FR2633是一款超低功耗电容式触摸传感微控制器。除了典型的微控制器功能,如多个定时器、ADC、串行接口等,该芯片还支持多达16个电容式触摸引脚,可配置为用户界面制作自定义按钮和滑条。


电容式触摸按钮的优点是没有可能发生故障的移动部件,并且它们可以密封以便在恶劣环境中使用。

Hughes_Projects_MSP430FR2633_ArticleOne_05.jpg

MSP430FR2633具有专用的多功能GPIO和电容式触摸引脚


在此设计中,GPIO和电容式触摸引脚连接到母头,用于板外连接。四个三针接头与分流器一起使用,可选择性地启用和禁用I2C和板载LED;LED仅用于初始编程和测试,因为它们将被埋在第二个电路板下面,在最终组件中带有控制接口。 SCL和SDA断开允许在原型设计期间选择性地测试和启用触觉反馈电路。


编程MCU

Hughes_Projects_MSP430FR2633_ArticleOne_13.jpg

板外连接器提供对GPIO和电容式触摸引脚的访问


可以使用连接到TagConnect或标准14引脚JTAG连接器的JTAG编程器来完成MCU的编程。

Hughes_Projects_MSP430FR2633_ArticleOne_12.jpg

JTAG编程通过14针连接器或10针TagConnect进行


TagConnect的优点是可以为任何电路板添加零成本。不幸的是,它要求用户为他们的JTAG编程器提供40美元的适配器,这就是为什么我也包含了一个标准接口。


电源输入、稳压器和ESD保护

USB插孔连接器可用于为电路供电。 在USB D+、D-和Vbus线路上提供了ESD保护。

Hughes_Projects_MSP430FR2633_ArticleOne_15_.jpg

原理图显示了电源输入和ESD保护


该电路中使用的USB至串行芯片具有内置100 mA稳压器,用于为电路的其余部分提供电源。根据数据手册的建议,使用两组0.1μF和4.7μF电容(一对用于VDD,一对用于VREGIN)。

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数据手册建议使用两组4.7 uF和0.1 uF电容


触觉反馈和LED指示灯

DRV2605是I2C控制的电机驱动器,预编程有100种不同的振动效果。


与传统开关不同,电容式触摸按钮和滑块不向用户提供物理反馈。缺乏反馈可能导致混乱甚至危险的情况。包括该驱动器和偏心电机允许用户知道他们的输入已被检测到。

Hughes_Projects_MSP430FR2633_ArticleOne_04.jpg


除了触觉反馈之外,电路中还包括几个LED,以提供视觉反馈。 D3和D4通过分流头J203和J205连接到GPIO引脚;D5表示电路板已通电; D6和D7用于指示MCU与USB转串口转换器之间的串行数据传输。


正如我之前提到的,所有这些LED都用于测试,并将隐藏在控制面板下方的最终设计中。控制面板上的五个可见LED包含在电容式触摸按钮的中央。

Hughes_Projects_MSP430FR2633_ArticleOne_11.jpg

多个LED用于在初始测试期间提供反馈


USB转串口转换器

Silicon Labs的CP2102N是其低成本、多用途USB转串口转换器的最新版本。它在计算机的USB端口和与主机程序通信的MCU之间提供桥接。该版本的电路板不支持通过USB编程MSP430。

Hughes_Projects_MSP430REDUX_CP2102n.jpg

原理图显示了USB转串口转换器IC


配置触摸面板

德州仪器(TI)提供CapTIvate设计中心,允许用户配置其设计,包括目标微控制器和电容式触摸按钮和滑块。此设计使用四个按钮和一个自定义的四焊盘滑块。


我用弧形基元创建了滑块锯齿环,并以假定的最小手指接触直径4mm为基础。每个圆的半径增加4毫米,锯齿圆的最小间距为4毫米。每个焊盘与相邻焊盘具有75%的圆形重叠。

image10.jpg

此图显示了用于创建圆形滑块环的尺寸。锯齿形段的半径增加4mm并终止于由上述等式定义的扇区。


创建按钮焊盘以提供具有切除的大表面以远离圆环滑动。


所有焊盘和圆形滑块将隐藏在控制面板电路板的阻焊层下方。这对于连接到焊盘的IC引脚提供ESD保护是必要的。

Hughes_Projects_MSP430FR2633_ArticleOne_03.jpg

OSH Park的渲染图显示了电容式触摸按钮和圆形滑环的铜层。


关于制作电路板的一句话 - 关于Gerber文件的一课

从各种制造厂订购这款顶级控制板我遇到了很多麻烦。


问题 - 由OshPark的Dan Sheadel解释和解决 - 如下:

Gerbers采用简单的“孔径”绘制。 [类似]油漆刷,[它们]用于定义生产过程中受影响的零件的基本形状。大多数时候,Gerbers使用一对“原始”光圈,通常是圆形,矩形、椭圆形和简单的正多边形。但是,他们也有一种方法来定义'宏',它是一个自定义的基元集合。这允许您定义自定义填充形状,它是较小基元的集合,然后像任何其他光圈一样使用它。绝大多数工具都没有问题。您可以添加到宏的基元之一是“多边形”,您可以在其中定义轮廓,并填充其中的任何内容。


DipTrace遇到麻烦的地方是它的多边形非常复杂,即使对于基本形状也是如此。这是因为它将弧线绘制为简单的直线,因此弧形近似必须具有数百条细线才能正确定义形状。


一个很好的例子是圆角矩形。大多数工具将其定义为围绕周边的四个圆形线和一个小矩形以填充内部的任何间隙。然而,Diptrace将其定义为200 +点多边形,精心细化每个角周围的线近似。


可悲的是,GerbV并没有很好地处理这个问题。 GerbV对其多边形宏命令有100个点的限制,因为每个命令都是静态分配[在旧的C源代码中],而不是在宏命令本身中使用分配规范。这令人沮丧,因为Gerber规范要求多边形宏最多可达5000个点。


解决方案是将多边形定义从宏中取出并使其成为普通Gerber绘图的一部分。 GerbV在那里没有问题。


感谢Dan在这里提供他的专业知识。


按钮软件配置

设计完成后,可通过CapTIvate设计中心配置按钮和圆形滑块。按钮配置为四个自电容通道(4 Rx),并且滚轮滑块配置为四个自电容通道(4 Rx)。

image2.png

TI Captivate Design Center的屏幕截图显示了该项目的初始配置。


Hughes_Projects_MSP430FR2633_ArticleOne_01.jpg

使用“Configure Connections”将按钮和滚轮分配给正确的通道。


总结

本文讨论了围绕MSP430FR2633构建的电容式触摸感应控制板的设计和制造。一个特别麻烦的制造难度与许多制造厂家正在使用不符合当前Gerber规格的免费软件有关。


未来的文章将介绍电路板布局考虑因素以及最终电路的测试以及使其工作所需的编程。

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