HMI mit großen Bildschirmen
Touch-Sensorik mit nur einem IC
Auch Hersteller von Automatisierungs- und Haushaltsgeräten möchten ihre Produkte mit Touch-Sensorik aufwerten – trotz hoher Anforderungen. Mit der 5. Generation der Capsense-Technik ermöglicht Infineon neue berührungsbasierte Steuerungsmöglichkeiten selbst bei schwierigen Betriebsbedingungen.
Bei der Implementierung leistungsfähiger, berührungsbasierter Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human-Machine-Interface, HMI) in moderne Industrieapplikationen und Haushaltsgeräte müssen Hersteller so einige Anforderungen beachten. Insbesondere bei großflächigen Bildschirmen und Anwendungen, die vielen Störquellen ausgesetzt sind, ist der Wechsel von herkömmlichen elektromechanischen Tasten und resistiver Touch-Sensorik zu modernen kapazitiven Touch-Sensoren eine große Herausforderung.
Für die Umsetzung werden Controller zur Berührungserkennung benötigt, die neue Funktionen und Leistungsverbesserungen ermöglichen: Idealerweise bieten sie eine hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und ein sehr niedriges Grundrauschen. Doch die Controller sollten auch mehrere Sensorknoten schnell scannen können, bei gleichzeitiger Beibehaltung einer ausreichenden Rechenleistung zur Implementierung einer vollständigen HMI-Anwendung. Noch dazu sollte ein optimierter Scanvorgang möglich sein, der keine Implementierung komplexer Synchronisations-Firmware erfordert. Mit der Einführung der 5. Generation der Capsense-Technik können die neuesten PSoC-Mikrocontroller von Infineon alle diese Anforderungen erfüllen.
Die 5. Generation der Capsense-Technik ist in Mikrocontrollern wie dem PSoC 4100S Max implementiert, ein kostengünstiger Mikrocontroller auf der Basis eines Cortex-M0+-Kerns von Arm, der für industrielle Steuerungen, Haushaltsgeräte und den Einsatz in der Hausautomatisierung entwickelt wurde. Er bietet programmierbare analoge und digitale Blöcke, bis zu 84 universelle E/As, davon 24 smarte EAs, und einen CAN-Controller. Für die Entwicklung und das Debugging bietet Infineon ein Experimentier-Kit (CY8CKIT-041S-MAX) an, das auch eine Erweiterungsplatine für verschiedene kapazitive Sensoren enthält. Es wird von der ModusToolbox-Software-Suite unterstützt, die auch Codebeispiele enthält.
Ratiometrische Abtastung und Differenzeingang
Die klassische Schaltung für den zur Messung eingesetzten AD-Umsetzer in einer Touch-Steuerung ist unsymmetrisch. Die Messung beruht auf einer internen Referenzspannung. Das führt dazu, dass der Ausgabewert der Touch-Sensorschaltung anfällig für Fehler ist, die durch die interne Referenz erzeugt werden, wenn er Spannungs- oder Stromrauschen, Taktjitter oder -drift oder anderen niederfrequenten internen oder externen Rauschquellen ausgesetzt ist.
Die Capsense-Technik der 5. Generation verwendet eine differenzielle Schaltung für die Sensor-Eingangsstufe in Verbindung mit einer ratiometrischen Messschaltung (Bild 1). Dabei ist der Sensorausgang lediglich ein Verhältnis zwischen der Sensorkapazität und der Referenzkapazität. Auf diese Weise werden interne Referenzen in den Erfassungsschaltungen überflüssig, wodurch diese Fehlerquelle beseitigt wird. Gleichzeitig werden durch die differenzielle Sensor-Eingangsschaltung niederfrequente externe Störungen aus dem Ausgangssignal der Sensorschaltung entfernt. Davon abgesehen profitiert die 5. Capsense-Generation von einer deutlichen Verringerung des Komparator-Rauschens in ihrer Delta-Sigma-Modulatorschaltung und bietet eine erhebliche Steigerung des SNR und ein deutlich reduziertes Grundrauschen – etwa zehnmal besser als bei der Vorgänger-Generation.
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