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[参考译文] BOOSTXL-CAPKEYPAD:防水电容式触控传感器无法正常工作。

Guru**** 633810 points
Other Parts Discussed in Thread: TIDM-1021, BOOSTXL-CAPKEYPAD, CAPTIVATE-PGMR, MSP430FR2522
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/microcontrollers/msp-low-power-microcontrollers-group/msp430/f/msp-low-power-microcontroller-forum/935359/boostxl-capkeypad-waterproof-capacitive-touch-sensor-does-not-work-as-expected

器件型号:BOOSTXL-CAPKEYPAD
主题中讨论的其他器件:TIDM-1021CAPTIVATE-PGMRCAPTIVATE-ISOMSP430FR2522

大家好、

我的目标是开发防水电容式触控传感器。

在互联网上的许多来源中、据说互电容传感器可以实现这一点。  

例如、在  TI Designs:TIDM-1021耐液体电容式触控键盘设计应用手册 :https://www.ti.com/lit/ug/tidue90/tidue90.pdf?ts=1598517326899&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Ftool%252FTIDM-1021中

我们可以看到第5页:"Cmutual 增加会导致测量结果沿触摸的相反方向移动、而这种相反结果称为"负触摸"。 这种"负触控"行为有助于防止出现液体时出现错误的触控检测。"

第18页的图19也说明了这种现象。

由于 TIDM-1021器件不再可用、我们使用的是 BOOSTXL-CAPKEYPAD 这一类似器件。 它还可用于互电容感应、因此我们希望获得相同的结果。

但是、它不起作用:传感器上的水会导致互电容减小、从而导致测量结果与触摸的方向相同。 不存在"负触摸"、因此我们无法防止因水而导致的错误触摸检测。

我们使用 CapTIvateDesignCenter 监控测量结果。 我们得到的结果如下:

首先、我们进行干式触摸:

然后在水滴下:

信号的空闲状态处于+400电平。 如您所见、水滴的影响比干式触控的影响小、但仍沿相同的方向(测量信号增大、意味着互电容减小)。

在我们的设置中、我们使用:

BOOSTXL-CAPKEYPAD、

- CAPTIVATE-PGMR,用于对电路板和计算机上的监控信号进行编程。 它还通过 USB 总线为电路板供电。

在应用手册中、它们还使用 CAPTIVATE-ISO、但编写的内容是 、如果系统由主机 PC 供电、则不需要 CAPTIVATE-ISO 板。 因此、看起来不错。 然后、我们的电源未接地、但第11页规定它仅影响灵敏度(在我们的情况下不是问题)。

第5页上的内容似乎很有趣:"传感器周围的接地路径数量。 液体将传感器耦合到更大的接地路径会降低互电容、并导致测量结果与触控方向相同。"  但我并不真正理解它的含义以及我们可以做什么。

感谢您就此问题提供的任何帮助。

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    您好、Morgan、

    我将为您提供详细的回答。

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    您好、Morgan、

    BOOSTXL-CAPKEYPAD 确实使用互电容作为其感应方法。  此 PCB 的设计更加注重限制 传导噪声的影响而不是对水进行寻址、因此它在 L2和底层使用网格接地、这是您希望通过水避免的。

    传导噪声的设计指南与湿度设计指南完全相反、这意味着您不希望液体耦合到 PCB 的同一层或更低层上的任何附近接地。  当您用水时、您看到的是耦合到内部接地层、这会导致互电极充电(与手指触摸时相同)。  如果您只在其中一个按钮上小心地轻轻滴水、您应该会看到信号变为负值或低于 LTA。  这种效应是由水的电介质导致的、从而改善了 RX/TX 电极之间的耦合。

    因此、建议 PCB 使用单个按钮(不与其他按钮共用 RX 线)和顶层包含网格覆铜、这是单个 TX 电极。  下面是 TIDM-1021 用户指南中对此进行介绍的片段。  这就是为什么 BOOSTXL-CAPKEYPAD 不能提供良好湿度性能的原因。  如果您需要、我有适用于 TIDM-1021的 PCB 设计文件和光绘文件。

    使用此设计、扫描传感器时、顶层的整个表面变成 TX 电极、而不是接地。  这样、液体就不能耦合到底层上的接地覆铜。

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    您好 Dennis、非常感谢您的讲解。

    我有另一个有关这方面的问题。 我们希望使用我们的传感器实现小型设计(如果可能、我们希望使用半径为6mm 至7mm 的圆形 PCB)。

    因此、我们希望将微控制器及其所需的少量组件(一些电阻器和去耦电容器)放在 PCB 的另一侧。 您认为这是可能的、还是会破坏传感器的防水性能?

    例如、我们将使用一个2层 PCB、其中 TX 和 RX 电极仅位于顶层、而组件位于底层。

    如果不可能、您认为我们可以使用导线(如10cm)将电极连接到微控制器引脚吗? 我知道它通常不会被重置、但我们没有太大的空间在我们的系统中放置更大的 PCB。

    BTW、在 BOOSTXL-CAPKEYPAD 中、它们感应 IO 以进行原型设计。 我们希望对电极进行原型设计、但我们不知道如何使其正常工作。 3条感应线路连接到 TX0 TX1和 TX2、它们均为 TX 电极输入。 我们如何连接 TX/RX 电极?

    非常感谢。

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    您好、Morgan、

    以下是与6mm 和7mm PCB 相比可能采用的尺寸。

    我认为您唯一能够适应的是(2.29x2.34) mm DSBGA 封装、这种封装仅在两层上布线会很棘手、而且不会是最便宜的解决方案。

    另一个关于仅在 PCB 上使用传感器和在主 PCB 上重新使用 MCU 的想法可能起作用。  在这种情况下、我建议使用 PCB 上没有接地的自电容传感器(单通道)、仅使用电极。  另一种选择是相互的、但很棘手。  这需要3根导线;一根用于 TX、一根用于 RX、另一根用于接地。  尽管相互测量电极之间的电容、但您需要在 RX/TX 下方进行一些接地作为参考、尤其是因为它在空间中浮动10cm。  您还必须使 RX 和 TX 线保持一定距离的分离、直到这些信号在 PCB 上相遇、否则、就像自电容模式一样、10cm 的线可能对手指和手很敏感。

    缺点是从主 PCB 到传感器 PCB 的导线同样容易受到影响、电极本身也是如此。 不确定具体的应用是什么、但如果导线布线使其能够检测到人的手/手指、则需要在潜在交互区域提供某种类型的屏蔽。  我认为您不需要屏蔽整个电线长度。

    使用导线的另一个缺点是噪声。  您将创建一个易受可能耦合到导线中的电气干扰的天线。  如果您的应用具有无线电或开关电源、则需要应对这两个噪声源。  此外、如果您需要执行通过传导噪声和 EFT/ESD 测试、除非屏蔽整个电线长度、否则这可能不起作用。  但这仍然使 PCB 上的电极易受噪声影响。

    您能否提供有关预期用途的其他信息?

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    感谢 Dennis 的帮助。

    我们的 PCB 的半径为6mm 至7mm、因此直径大约为12-14mm。 因此、我认为我们将有足够的空间将 MSP430FR2522放置在 TSSOP-16封装中(也采用 QFN-20封装)、但使用 TSSOP-16进行原型设计更容易、因为我们没有焊接 QFN-20组件的设备)。

    我们已经尝试过自电容传感器。 它在干燥时工作良好、但因水滴而触发、这对我们的应用来说是一个真正的问题。 我们目前正在设计一个嵌入在船上的人机界面。 HMI 将放置在车厢中、因此水不会在车厢中流动。 但是、我们需要避免因湿气(例如、水雾手或冷凝导致的少量水滴)而导致的任何错误检测。 出于人体工程学的原因以及间距的原因、我们无法为传感器设计出一个巨大的 PCB。 最后、传感器 PCB 将嵌入塑料封装中、并用合成树脂密封以进行防水处理。  

    我不理解"您需要在 RX/TX 下方使用一些接地作为参考"这一说法是什么意思。 我认为我们应该避免接地耦合?  

    如果我们使用导线、我认为检测人的手不会有问题、因为导线的放置方式会比人接近它的距离小于3厘米(在此范围内、BOOSTXL-CAPKEYPAD 电极未检测到任何物体)。

    谢谢你。

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    您好、Morgan、

    我关于"作为参考的 RX/TX 下方的一些接地"的评论是针对互电容传感器、而不是自电容传感器。

    好的、使用小圆作为(RX)电极和填充为(TX)电极的表面其余部分会怎么样?

    EL

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    您好 Dennis、  

    在设计指南中、我们可以找到以下内容:

    http://software-dl.ti.com/msp430/msp430_public_sw/mcu/msp430/CapTIvate_Design_Center/latest/exports/docs/users_guide/html/CapTIvate_Technology_Guide_html/markdown/ch_design_guide.html#buttons

    互电容按钮形状

    电极形状通常为矩形、常见尺寸为10mm 和更小。 最终、尺寸将取决于所需的触摸区域。 在下图中、识别了 TX 和 RX 电极、并显示了建议的丝印按钮轮廓图案。 导线布线时、TX 和 RX 电极上的过孔位置可提供灵活的信号连接点。

    • 简单方形电极

      • 布局最简单

      • 最高灵敏度

      • TX 在外部、RX 在内部

      • 对于单层设计、可以在一侧打开 TX 并通过 RX 迹线(最好不在角落)馈送 RX 迹线

      • 两层上的迹线具有更好的灵敏度

    我们希望优化灵敏度、因为传感器将位于厚度为3-5毫米的塑料面板后面。

    您认为我们应该将 TX 和 RX 放置在两个不同的层上吗?

    您可以在以下各项中选择哪种设计:(TX 以蓝色表示、RX 以绿色表示):

    我们还可以在设计指南中阅读:

    一个良好的设计做法是使按钮的尺寸尽可能小、从而更大限度地减小电容、并有助于实现以下目的:

    • 降低对噪声的易感性

    • 提高灵敏度

    • 电容更小、电极扫描时间更短、因此可实现更低的功耗运行

    关于此报价、是否存在最小电极尺寸、或者我们是否可以根据需要缩小尺寸? 您是否建议为电极使用整个 PCB 表面、或者只需减小 RX 尺寸并使用 TX 填充整个空间、或者其他一些东西?

    谢谢你。

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    您好、Morgan、

    对于此应用、我将坚持此处所示的设计。 它按比例绘制(7mm 半径)。

    此处最重要的设计注意事项是3-5mm 厚的镀层。  要创建一个将进一步传播的有效电子字段、您需要将 RX 和 TX 分开一段距离。

    在设计指南中、它提到了一半的镀层厚度、但在本例中、厚度为1.5mm 至3.5mm、这将占用 TX 电极的全部面积。

    我建议以1mm 作为折衷。  您应该具有足够的灵敏度来通过5mm 厚的镀层进行交互。

    接下来、您将看到底层上的网格接地(蓝色)。  我提到、您需要一些接地基准才能使相互正常工作。  尽管在放置其他组件之后、接地覆铜的面积可能不大。  尽力而为。  此外、在对 RX 和 TX 进行布线时、尽可能使它们保持分离。  我选择了 MCU 上彼此不相邻的引脚。

    请注意、底层上的接地覆铜应远离 PCB 的边缘、而不是顶层上的 TX 覆铜。  这将有助于防止水份与 PCB 边缘周围接地之间的潜在耦合。

    对于湿度、当驱动 TX 电极时、水分将无法耦合到底层的接地端。  TX 未被驱动、它是一个接地电势。

    当然、在一天结束时、可能需要重复或2才能获得良好的平衡、但我相信所示的设计将为您所用。

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    Dennis、您好、非常感谢您的帮助和此设计。我将尝试看看我的机械工程师同事是否可以为我提供更多毫米的空间、以便在一定程度上增大 PCB 尺寸、从而增加 TX/RX 距离。

    我要强调的是、我们最重要的参数是防水行为。 灵敏度也很重要、但恰好在这之后。 我还将询问我的同事、我们是否可以稍微降低覆层厚度。

    在这方面,地面浇注的作用是什么? 它不会降低防水行为吗?

    当我们谈论"接地覆铜"时、我们谈论的是电源接地还是接地?

    最后一个问题:在不同的层上路由 RX 和 TX 是否有任何好处? 现在我们讨论的是2层 PCB、但对于4层 PCB 来说、更改不会是问题。

    非常感谢。

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    您好、Morgan、

    接地覆铜(从组件侧)的主要作用是屏蔽顶部传感器侧、防止可能来自传感器后面的源的电气干扰 (不知道传感器后面是否有无线电或开关电源)。  它还为 MCU 和其他有源组件提供统一的分布式接地。

    在2层电路板上、顶部的传感器与 MCU 直接位于下方、因此可能会产生来自 MCU 的噪声。  在您的设计中、您不会驱动 LED 或任何其他高电流、因此我对2层 PCB 上的 LED 或任何其他高电流不太关心。  最好使用4层 PCB、其中第3层为内部网格接地覆铜。

    系统接地(PCB 上的接地、而非接地)的第二个作用是从 RX 和 TX 电极提供一定量的平衡自电容。  这有助于在内部偏置电路中实现平衡。

    因此、您关于防水的问题是有效的。  如果您看看 PCB 的横截面、RX 和 TX 之间有一些区域、其中水可以通过覆层耦合、PCB 与背面的接地覆铜耦合、 但是、由水分引起的电容变化明显小于互模式下 RX 和 TX 电极之间的电容变化。 现在、如果您想象 TX 电极是顶部的接地覆铜、并且您在自电容模式下驱动 RX 电极、那么您会遇到严重的耦合问题。  看到差异了吗?

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    您好 Dennis、非常感谢您的讲解。

    由于设计4层 PCB 对于我们的应用来说不是问题、我认为我们将这样做。

    TX 和 RX 最好位于同一层还是位于两个不同的层上? 如果在两个不同的层上、是否最好在顶层(而在第2层上)放置 TX 或 RX?

    如果将第3层用作内部网格接地覆铜、我们是否还应在底层(包含组件的层)上进行网格接地覆铜?

    对未使用的层最好做什么? 默认情况下、它将是未连接的全覆铜、是否会导致传感器/电极问题?

    谢谢你。

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    您好、Morgan、

    过去、我们在顶层进行了一些评估、在下一层进行了 TX、而在另一层进行了 TX。 将 RX 和 TX 放置在不同的层上没有好处。

    如果这是一个具有多个 RX/TX 的更复杂设计、那么我将使用第2层来布线 RX/TX 信号布线。  但是、此设计非常简单、您可以直接从底层到顶层运行信号、几乎可以在任何位置连接到电极。  因此、您需要将第2层留空。  这一层没有四个四个四个四个四通道。  严格来说、该层是间隔层。

    第3层将是网格接地、最好是25%的网格。  如果您假设布线宽度为6mil、对应于~48mil 的网格间距。

    %hatch = 100 *(2 *(w/g)-(w/g)^2)、其中 w =布线宽度、g =网格间距。

    第4层(组件)您可以在该层上以接地方式执行任何所需的操作。

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    非常感谢 Dennis 的帮助、我现在非常清楚。

    我将在构建传感器时为您提供反馈。 谢谢你。

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    您好、Morgan、

    听起来不错。  同时、我要将其标记为已解决。

    稍后、您可以单击"这未解决我的问题"按钮、并使用更多信息回复此主题。
    如果此主题锁定、请单击"提出相关问题"按钮、然后在新主题中描述您的结果。

    祝你好运

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    Dennis、您好、按照承诺、我会为您提供有关我们设计的反馈。

    我们构建了触摸传感器、但仅使用2层 PCB、因为我们的供应商无法按照我们要求的时间表构建4层 PCB。

    一层是您建议的电极、另一层是元件层、其接地层为25%网格、并根据要求具有更高的电路板间隙。

    以下是我们的设计:

    我们面临着水问题。 水会增加传感器测量的互电容、而不是减小互电容。 因此、我们不会观察到预期的"负触摸"。

    我不明白问题来自哪里。 您能帮我们理解吗? 谢谢你。

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    您好、Morgan、

    是的、这完全是预期的。

    在 TIDM-1021湿度参考设计中、它在下面的注释(2)中对此进行了说明

    以下是 TIDM-1021的一些测试结果、显示了水流对触摸的影响。  如您所见、当有水时、计数和 LTA 会更低。

    参考上面的注释(2)、这是由于电容水在 RX/TX 电极上增加(如果传感器是自电容且您用手指触摸、则会产生相同的影响)、但请注意、触摸期间"delta"值仍会增加计数(正如互电容式传感器所预期的那样)。

    如果基线偏移较低、并且在此期间临时更改触摸阈值、您可能需要在应用程序代码中执行的操作是监测。  但情况并非总是如此。

    如上所述、尝试记录您的传感器对水的响应并触摸。  然后发布该图或为我提供.csv 文件。

    传感器视图中的"Connected"按钮旁边有一个记录按钮。  数据存储在与您所使用的 CapTIvate 设计中心项目相同的目录中。

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    您好、Morgan、

    我已经听过你几天了,所以我假设你正在取得进展。

    现在、我要将该线程标记为已解决。
    如果情况并非如此,请单击“这无法解决我的问题”按钮,并使用更多信息回复此主题。
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