【導(dǎo)讀】本文介紹了使用MSP430作為主處理器實現(xiàn)可充電的觸屏遙控模塊，該設(shè)計方案支持紅外（IR）信號傳輸，且可擴(kuò)展RF和NFC無線傳輸方式；用戶輸入采用觸摸按鍵實現(xiàn)，設(shè)計簡潔美觀；系統(tǒng)可由電池供電，且自帶可充電模塊，支持多種觸摸按鍵實現(xiàn)方式，設(shè)計簡便靈活。
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)備中得到越來越多的應(yīng)用。用觸摸按鍵實現(xiàn)人機交互的電磁爐，微波爐，電冰箱等家電產(chǎn)品越來越受青睞，預(yù)計未來會有越來越多的觸摸按鍵產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的機械式按鍵產(chǎn)品。觸摸按鍵具有堅固耐用，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。觸摸式按鍵可分為四大類，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，在單個按鍵中很少使用。本方案將重點討論電容式觸摸按鍵在單個按鍵中的應(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)計中，它具有一些優(yōu)點，例如可直接集成在PCB中，觸摸感應(yīng)區(qū)域外形尺寸設(shè)計靈活，相對成本較低等等。簡單來講，電容式觸摸按鍵在按下的時候改變了電容值，從而改變電路振蕩周期，通過對振蕩周期改變值的檢測實現(xiàn)對按鍵的檢測。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，通過測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)計需要避免誤觸發(fā)以及兼顧靈敏度。通常來說，單個按鍵感應(yīng)區(qū)域需要做的足夠大，以達(dá)到識別按鍵目的；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，單個按鍵以圓形、方形為佳。
1.2 紅外信號傳輸原理
紅外遙控原理可參考文檔[2]。本文采用NEC協(xié)議編碼，簡單說是通過脈沖串之間的時間間隔來表示邏輯“0”和邏輯“1”。載波信號頻率為38k，邏輯“1”用 0.56ms 的 38k 載波和 1.5ms的無載波表示，邏輯“0”用0.56ms 的載波和0.56ms 的無載波表示，幀頭用9ms 載波加4.5ms無載波表示。編碼幀格式參考圖2，具體格式定義可根據(jù)實際情況稍作修改。
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，編碼時的載波有無控制可由Timer的 PWM輸出模塊實現(xiàn)。其PWM輸出模塊可配置成7種輸出方式，可方便實現(xiàn)上述編碼。采用MSP430的Timer的PWM輸出功能，僅需要一個Timer和一路PWM即可輕松實現(xiàn)紅外編碼，無需額外硬件，軟件實現(xiàn)簡單。為系統(tǒng)設(shè)計節(jié)省成本和開發(fā)時間。
1.3 可充電觸屏遙控模塊方案設(shè)計
傳統(tǒng)的遙控模塊采用機械按鍵實現(xiàn)，本方案采用觸摸按鍵設(shè)計，按鍵和顯示在同一塊LCD 屏上，外形時尚、美觀。本方案作為參考設(shè)計，除了遙控器基本功能（按鍵，顯示，發(fā)射，按鍵聲）外，還設(shè)計了充電和USB模塊，并擴(kuò)展了RF和NFC接口。可充電方式提高了靈活性，用戶僅需要充電而不必更換電池。USB模塊可實現(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值，用戶僅需要根據(jù)需求對本方案功能模塊進(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
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2 設(shè)計實例
2.1 硬件設(shè)計
2.1.1 電源模塊設(shè)計
本系統(tǒng)采用電池供電，且設(shè)計了充電電路，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。其電路實現(xiàn)如下圖4所示。
圖4：電源模塊電路設(shè)計
2.1.2 LCD及背光模塊設(shè)計
MSP430F6638自帶LCD控制器，可方便地驅(qū)動段式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)計如圖5所示。通過改變PWM的頻率和占空比，可改變背光亮度，從而改變LCD屏視覺效果。
圖5：背光電路設(shè)計
2.1.3 觸摸按鍵設(shè)計
MSP430F6638自帶比較器B，最多可支持12個觸摸按鍵，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，比較器輸出作為 Timer的計數(shù)脈沖，在固定的時間內(nèi)計數(shù)值變小，根據(jù)固定時間內(nèi)Timer計數(shù)值的變化來判斷按鍵動作。通過合適配置寄存器和軟件算法處理，可實現(xiàn)觸摸按鍵檢測。電路設(shè)計如圖 6所示。注意為了降低噪聲，每通道外接電阻不宜過小，可選500k左右。比較器B 翻轉(zhuǎn)電平通過配置寄存器實現(xiàn)。
圖6：觸摸按鍵電路設(shè)計
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2.1.4紅外發(fā)射模塊設(shè)計
紅外模塊采用普通紅外管實現(xiàn)，通過配置Timer輸出合適的PWM波實現(xiàn)紅外編碼。紅外發(fā)射瞬間電流較大，通過MCU的GPIO控制三極管驅(qū)動紅外發(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
MSP430F6638自帶USB模塊，可實現(xiàn)USB通信，其硬件設(shè)計簡單。本文用USB虛擬UART實現(xiàn)和PC通信。關(guān)于USB調(diào)試請參考TI官網(wǎng)資料[4]。
2.2 軟件設(shè)計
2.2.1嵌入式軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。無按鍵動作時，系統(tǒng)運行RTC，顯示當(dāng)前時間，溫度且把時間，溫度以及按鍵狀態(tài)（每個按鍵動作有無）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)入時間設(shè)定模式，是否開蜂鳴器以及發(fā)射哪種紅外碼等等。
圖8：軟件流程圖
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2.2.2 PC端軟件設(shè)計
為了方便實現(xiàn)人機交互，使用C Sharp語言開發(fā)了配套的PC端軟件實現(xiàn)和MCU的雙向通信。通過PC端軟件可查看DEMO的當(dāng)前狀態(tài)，包括時間，溫度，按鍵動作等，另外也可通過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USB線與PC端COM口連接，MSP430F6638的USB通過軟件協(xié)議虛擬UART，在PC端選擇合適的COM端口號可實現(xiàn)PC軟件和DEMO的互連。圖9中左圖反映DEMO的實物，當(dāng)有按鍵按下的時候，對應(yīng)的按鍵圖標(biāo)閃爍一下，同時在記錄框輸出文字記錄這個動作(Button xx Pressed!)。最下面圖表則實時顯示當(dāng)前溫度信息。
2.3 DEMO展示
DEMO實物如圖10所示。鍵盤區(qū)12個按鍵，每個按鍵按下圖標(biāo)會閃爍一下，同時蜂鳴器會響 0.3s左右。每個按鍵做了不同功能，可根據(jù)需求發(fā)射不同的紅外碼實現(xiàn)遙控器的功能。演示DEMO 中代碼支持RTC和溫度計功能，支持靈活調(diào)整時間，同時可通過PC端軟件來調(diào)節(jié)屏幕背光。DEMO還可擴(kuò)展光傳感模塊，可根據(jù)環(huán)境光強弱智能調(diào)節(jié)背光亮度，達(dá)到較好的視覺效果。
該DEMO具有通用性，在所有需要顯示和人機交互的微控制系統(tǒng)中均可參考此方案，只需對FW 做簡單修改即可實現(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，以實現(xiàn)最高的性價比。
圖10：DEMO實物
本方案使用MSP430F6638作為主處理器，展示了用其實現(xiàn)觸屏遙控器的電子模塊設(shè)計實例。在遙控器，無線設(shè)備以及其它需要按鍵和顯示的應(yīng)用場合均可參考本方案。MSP430富的產(chǎn)品線也為前述應(yīng)用場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)性價比。
