Systementwicklung Touch-Lösungen für den rauen Alltag

Nur wenige kommerziell erhältliche Touch-Lösungen eignen sich für den eher rauen Arbeitsalltag auf Schiffen oder Bohrplattformen. Da sind Eigenentwicklungen gefragt, die trotz vergleichsweise geringer Stückzahlen nicht allzu teuer ausfallen sollten.

Wenn es gilt, Handelsschiffe, Fischereifahrzeuge, Schlepper, Versorgungsschiffe für Offshore-Anlagen, Marineschiffe oder Offshore-Anlagen zur Öl- und Gasförderung mit Touch-Schiffstelefonen auszustatten, gilt es, viele Randbedingungen zu berücksichtigen. Die widrige maritime Umwelt ist eine davon, andere sind verschmutzte Arbeitshandschuhe und generell wenig pfleglicher Umgang.

Als der norwegische Anbieter hochseetauglicher Audioprodukte Jotron Phontech die Möglichkeiten zur Realisierung eines Touch-Sensor-Konzepts sondierte, erhoffte er sich vom Einsatz einer integrierten Lösung aus »Designer« von Altium und »QTouch Studio« von Atmel eine deutliche Zeitersparnis beim Leiterplattendesign. Einen Teil der Schaltplan-Erfassung hatte man bei Jotron bereits mit einer früheren Version von Designer vorgenommen.

Die Umstellung auf die Version 10 fiel besonders wegen der Unterstützung der QTouch-Strukturen leicht. Das Erstellen der eigentlichen Touch-Sensoren aus den Spezifikationen erledigten die Tools nach Eingabe der Stärke der Frontplatte sowie der gewünschten Sensorgröße in etwa einer Minute.

Anschließend galt es, die Sensoren (Bild 1) mit genügend Fingern auszustatten, um eine möglichst große Fläche zwischen den Elektroden zu erhalten und die Kopplung zwischen den Sensorfingern zu optimieren. Dies hatte dann jedoch wieder Auswirkungen auf Breite und Höhe; die entsprechenden Parameter ließen sich im Leiterplatten-Layout rasch verändern und mit dem Schaltplan synchronisieren. Insgesamt waren eineinhalb Tage erforderlich, um ausgehend von der ersten Idee, wie die Leiterplatte aussehen sollte, zum fertigen Design zu gelangen und das Prototyp-Board auf Basis des »Nanoboard« und des zugehörigen »Prototyping Peripheral Board« von Altium zu bestellen. Dessen Lieferzeit sollte zehn Tage betragen.

Feinarbeit

In der Zwischenzeit konnten sich die Entwickler mit dem Bedienpanel des Prototypen beschäftigen, außerdem mit dem Touch-Panel mit der darüber angeordneten, im Siebdruckverfahren bedruckten Polycarbonatfolie. Weiterhin legten sie das Leiterplatten-Layout den Experten bei Atmel zur Beurteilung vor. Dabei ergab sich zwar ein Missverständnis bezüglich der Darstellung interner Kupferlagen, nach dessen Klärung der Halbleiterhersteller jedoch keine Beanstandungen mehr hatte.

Als Nächstes galt es, eine Testumgebung für den Prototypen aufzubauen. Die fehlenden freien I2C-Leitungen an den Headern des Nanoboards mussten mithilfe der User-Header und zwei 10-kΩ-Pull-up-Widerständen improvisiert werden. Das Prototyping-Peripheral-Board »PB30« mit seiner Rapid-Prototyping-Fläche und vorgegebenen Land-Areas bietet allerlei Möglichkeiten, ohne großen Aufwand eine zusätzliche Hardwareressource, wie zum Beispiel einen I2C-Steckverbinder, zu montieren. Das wird später im Entwicklungsprozess interessant, wenn das Nanoboard zum Schreiben eines QTouch-Treibers für Debugging-Zwecke (zum Feinabstimmen der Qtouch-Empfindlichkeit) genutzt wird und als allgemeine Entwicklungsplattform für künftige Qtouch-Applikationen dient.

Nach dem Eintreffen der Prototypenboards erfolgte im Labor umgehend die Bestückung mit den Bauelementen. Die nächsten Arbeitsgänge waren die Reflow-Lötung und einige wenige Nacharbeiten. Dann war der große Moment gekommen: Das Board wurde erstmals unter Spannung gesetzt und getestet. Grundsätzlich ergaben sich keine Probleme, doch erwies es sich ohne einen Treiber für den QTouch-Controller als schwierig, die Werte für die Berührungsempfindlichkeit abzustimmen.

Man entschied sich deshalb, einen eigenen Treiber zu entwickeln. Dazu sind zwei elementare Funktionen erforderlich: eine zum Schreiben von Daten in ein bestimmtes Register und eine zum Auslesen aus einem Register. Das Schreiben ist denkbar einfach. Man sendet die Bausteinadresse, gefolgt von einem Bit, das einen Schreibvorgang signalisiert. Nachdem das entsprechende Bestätigungsbit eingetroffen ist, werden die Registeradresse und anschließend die zu schreibenden Daten übertragen.

Danach schließt sich ein Stoppzustand an. Ein Oszilloskop half dabei, die Ursache eines Problems zu finden, das bei dem Versuch auftrat, einen Registerwert aus dem QTouch-Controller zu lesen: Eine Timing-Spezifikation des I2C-Interfaces war nicht eingehalten worden. Mit dem Einfügen einer kurzen Pause zwischen Schreib- und Lesevorgängen war das Problem jedoch behoben. Als Nächstes ging es in den Praxisversuch (Bild 2): Die Leiterplatte wurde mit einer Plexiglasscheibe abgedeckt, und tatsächlich wurde die Fingerberührung detektiert und durch das Aufleuchten der entsprechenden LED quittiert.

Unbefriedigend war zu diesem Zeitpunkt lediglich die Tatsache, dass der Finger relativ stark auf die Plexiglasfläche gedrückt werden musste, um eine Reaktion zu bewirken. Verunreinigungen auf der Leiterplatte hatten zur Folge, dass ein Luftspalt zwischen den Sensoren und der Plexiglasfläche entstand. Der Ladungstransfer zwischen den Elektroden erfolgte deshalb nicht mit der angestrebten Effizienz. Abhilfe schaffte das Reinigen der Leiterplatte und die Verwendung einer Klebefolie, wie sie auch im »QT600«-Kit von Atmel zum Einsatz kommt.

Mit dieser Folie zwischen Leiterplatte und Plexiglas ergaben sich die gewünschten Ergebnisse. Jeder Touch-Sensor reagierte prompt und ohne dass ein besonderer Druck ausgeübt werden musste. Auch eine zusätzliche Kalibrierung erwies sich als überflüssig.

Über die Autoren:

Atle M. Christiansen ist R&D Manager bei Jotron Phontech AS

Frank Krämer ist Technischer Marketing Direktor bei Altium EMEA

Gesamter Zeitaufwand
Zwei Tage für die einleitende Projektstudie (QTouch-Theorie, Ladungstransfer-Techniken usw.)
Ein Tag für die Untersuchung der Leiterplattenspezifikationen (Zahl der Berührungstasten, Abmessungen, Look and Feel).
Acht Stunden für Schaltplan-Erfassung und Leiterplattendesign (einschließlich des Zeitaufwands zum Erstellen der Projektdateien, der Lagen-Abfolge und der Regeln sowie die Prüfung des finalen Designs).
Zwei Wochen für Produktion und Versand der Leiterplatten.
Zwei Stunden für das Bestücken und Löten der Leiterplatte.
Ein Tag für die Entwicklung des QTouch-Treibers.