GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MTOUCH , ỨNGDỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1. Giới thiệu:

- Mtouch là công nghệ thuộc quyền sở và được phát triển bởi công ty MicroChip(www.microchip.com).

- Điểm nổi bật của công nghệ này là : người sử dụng chỉ cần chạm nhẹ v ào các phím cần điềukhiển , thay vì là phải ấn xuống các phím nhấn theo kiểu thông th ường. Và công nghệ Mtouchsẽ giải quyết được vấn đề nhiều phím được nhấn cùng lúc (Multi – Touch)

- Ngoài ra , các sản phẩm sử dụng công nghệ Mtouch sẽ có độ bền cao hơn đối với công nghệNhấn phím bình thường về : tác động cơ học , môi trường , sự hao mòn khi sử dụng lâungày…..

Hình 1.1: Miêu tả bàn phím kiểu Mtouch

2. Ứng dụng và hướng phát triển:

- MTouch sẽ được ứng dụng cho việc thay thế kiểu phím nhấn bình thường.- Các bàn phím ứng dụng công nghệ Mtouch sẽ đ ược ứng dụng nhiều trong các sản phẩm gia

đình và công nghiệp như:+ Bàn phím điều khiển thiết bị trong gia đ ình : quạt , bóng đèn …+ Các bàn phím điều khiển trong các thiết bị tự động trong công nghiệp, n ơi mà các môitrường bụi bẩn, ẩm ướt , tần suất sử dụng phím nhấncao, ….

Một số hình ảnh minh họa về khả năng hoạt động Tốt của sản phẩm ứng dụng công nghệMtouch trong môi trường: ẩm ướt , dính chất dẻo

Hình 1.2: Khi sử dụng trong môi trường ẩm ướt

Hình 1.3: Khi bị dính chất dẻo trên bề mặt

Công nghệ Mtouch còn có thể kết hợp với các kỹ thuật truyền thông nh ư:+ Giao tiếp Nối tiếp (UART , SPI ,I2C ) để có thể kết nối với các thiết bị khác nh ư: Máy vitính , vi điều khiển ,các hệ thống nhúng ….

+ Không dây: sóng vô tuyến (RF) , hồng ngoại để tạo ra các bộ điều khiển từ xa cho các thiếtbị gia đình như: Máy vi tính , máy điều hòa , bóng đèn , quạt …

Hình ảnh minh họa cho Một bàn phím đa chức năng của hãng MicroChip , ứng dụng công nghệMTouch:

Hình 1.4: Kit ứng dụng của hãng Microchip

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ MTouch

1. Nguyên lý của Mtouch:

+ Mỗi phím cảm ứng (touch-pad) là một bản đồng (Copper Sensor) , đóng vai tr ò là một bảncực của tụ điện . Trên bản cực đồng này , sẽ được phủ một lớp bìa (Cover Plate ) cách điện –đóng vai trò làm điện môi.

+ Mỗi bản cực đồng này , tạo với đất danh định (Ground ) sẽ tạo thành một tụ điện có giá trị là

pC

Hình 2.1: Cấu tạo của phím nhấn cảm ứng

+ Khi ngón tay con ngư ời chạm vào các phím cảm ứng này , vì bản thân người là một bản cực,nên sẽ hình thành một tụ điện giữa phím cảm ứng và ngón tay . Giá trị của tụ điện này gọi là : fC

Hình 2.2: Tạo tụ điện cảm ứng fC khi chạm tay vào phím

Lúc đó , sẽ có tụ pC song song với fC , nên giá trị của tụ điện Tương đương của hệ thống sẽ là

: _tuong duong p fC C C (1.1)

Hình 2.3: Tổng quan quá trình thay đổi giá trị điện dung

*> Việc còn lại là nhận biết được sự thay đổi giá trị điện dung này để có thể nhận biết được phímnhấn nào đã được nhấn ???

2. Các phương pháp nhận biết sự thay đổi giá trị điện dung (của công nghệ Mtouch ) :

Ở đây , có 4 phương pháp được đề xuất và sử dụng:

1. So sánh (Comparator )2. So sánh với bộ giữ (Comparator with SR latch )3. Cảm biến điện dung (Capacitive Sensing)4. Tính toán thời gian Nạp của tụ ( Charge Time Mesuarement Unit )

Trong 4 phương pháp này th ì hai phương pháp thứ 3 ( Capacitive Sensing ) và thứ 4 (ChargeTime Mesuarement Unit) được đánh giá cao hơn về mặt kỹ thuật và được ứng dụng nhiều hơn.

Ở đây , tôi sẽ đi sâu vào phương pháp thứ 3 ( Capacitive Sensing ) và giới thiệu sơ quaphương pháp thứ 4 (Charge Time Mesuarement Unit)

a. Phưong pháp “Capacitive Sensing”:- Ta biết rằng , mỗi tụ điện sẽ có thời gian Nạp -Xả tụ phụ thuộc vào giá trị điện dung của chính

nó ( ở đây: giá trị điện trở “ngoài” (external-R) sẽ được giữ không đổi ).- Và khi ngón tay con người chạm vào sẽ làm giá trị điện dung thay đổi (Theo công thức

(1.1): giá trị điện dung tương đương sẽ Tăng lên), dẫn đến thời gian Nạp-Xả của tụ cũngkhác đi (Thời gian Nạp-Xả cũng tăng lên ).

-

Hình 2.4: Thời hằng nạp-xả của tụ điện

Hình 2.5: Mô-đun chức năng Capacitive Sensing b ên trong vi điều khiển PIC

Hình 2.6: Sơ đồ nạp-xả của tụ

Nguyên lý của phương pháp “Capacitive Sensing” : Trong 1 khoảng thời gian không đổi, thì số CHU KÌ Nạp-Xả của tụ điện (nơi phím nhấn ) sẽkhác nhau giữa lúc bình thường (không có ngón tay người chạm vào ) và lúc có ngón tayngười chạm vào.

Hình 2.7: Mô phỏng hiệu ứng ngõ ra khi ngón tay người chạm vào phím nhấn

b. Phương pháp “Charge Time Mesuarement Unit” (C.T.M.U)

+ Về nguyên lý chung thì cũng giống phương pháp Capacitive Sensing, nhưng ở phươngpháp C.T.M.U ,ta sẽ đo giá trị thời gian Nạp Xả của tụ ,rồi suy ra giá trị điện dung của tụ(vì giá trị điện trở R đã biết trước ).+ Khi đã có giá trị điện dung ở từng thời điểm khác nhau , sẽ phân biệt đ ược khi phím đượcnhấn ( Khi đó giá trị điện dung sẽ lớn hơn so với bình thường)

KỸ THUẬT THIẾT KẾ PHẦN CỨNG V À CÁC VẤN ĐỀ CHỐNGNHIỄU CHO SẢN PHẨM

*> Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế phần cứng :

Khi thiết kế sản phẩm ứng dụng công nghệ Mtouch , các vấn đề chính cần chú ý nh ưsau: + Kích cỡ của phím nhấn đồng + Điều chỉnh khoảng cách giữa các cảm biến cảm ứng (phím nhấn) + Kích thước đường mạch in, chiến lược chạy mạch in tối ưu cho việc triệt nhiễu. + Tấm bìa phủ trên bề mặt ,để đóng vai trò là một điện môi phù hợp. + Ví dụ về cách tạo BÌA cho sản phẩm ứng dụng công nghệ MTouch

Hình 3.1: Hình mô phỏng tụ điện phẳng

1. Kích thước cho mỗi phím nhấn

+ Mỗi phím nhấn là một miếng đồng (copper-pad) sẽ có kích thước tối ưu là: Hìnhvuông - 12.7 mm x 12.7 mm ( hay 0.5” x 0.5” ) ( Giá trị này được chọn dựa trên kích cỡ của đầu ngón cái của người trưởng thành bìnhthường )

Hình 3.2: Tụ điện cảm ứng trong công nghệ MTouch

2. Điều chỉnh khoảng cách giữa các cảm biến cảm ứng (phím nhấn)

+ Khoảng cách giữa 2 phím nhấn gần nhau là: 4.7 mm ( hay:0.188” )

Hình 3.3: Hình chiếu thẳng góc của Nút nhấn cảm ứng trong PCB

+ Khoảng cách giữa 2 phím nhấn được chọn 4.7mm là nhằm hạn chế việc khi ngón taychạm vào Phím nhấn cần nhấn ,sẽ không ảnh ưởng làm thay đổi giá trị điện dung của cácphím nhấn xung quanh ( hay nói cách khác là : Tụ điện được tạo ra giữa ngón tay với cácphím xung quanh phím cần nhấn có giá trị điện dung fC không đáng kể )

Hình 3.4: Hiện tượng nhiễu đối với các nút nhấn cảm ứng gần nhau

+ Khi giá trị khoảng cách d đủ lớn giá trị điện dung sẽ trở nên rất nhỏ

Ngoài ra ,để đạt hiệu quả cao trong việc chống ảnh h ưởng nhiễu giữa các phím nhấn gầnnhau , người ta sẽ phủ MASS (ground) khoảng giữa 2 phím nhấn nh ư hình sau:

Hình 3.5: Cách thức giảm nhiễu đối với các nút nhấn cảm ứng gần nhau

Lưu ý: Việc phủ MASS này sẽ giảm thiểu đáng kể giá trị điện dung của tụ 2FC và sẽ làbề mặt “che chắn” cho đường mạch in tín hiệu chạy ở mặt d ưới – sẽ tránh nhiễu luôn trêndây tín hiệu

3. Kích thước đường mạch in, chiến lược chạy đường mạch in tín hiệu tối ưu cho việctriệt nhiễu.

+ Đường mạch in tín hiệu sẽ chạy ở mặt dưới của bản mạch in ( PCB- Bottom), mỗi phím nhấn sẽ có 1 lỗ Via để kết nối với đường mạch in tín hiệu .

Hình 3.6: Chiến thuật chạy đường mạch in tín hiệu

+ Để tránh trường hợp ngón tay người ,cảm ứng với đường mạch in tín hiệu , ta sẽ có chiếnlược đi đường mạch in tín hiệu phía dưới lớp MASS được phủ ở mặt trên (PCB-Top) giữacác phím nhấn.

Hình 3.7: Phương pháp tránh ảnh hưởng của ngón tay người lên đường mạch in tín hiệu

Và tránh không đi vào phía dưới của một phím nhấn khác như hình sau:

Hình 3.8: Đường mạch in chạy bên dưới các phím cảm ứng

Ngoài ra ,còn một số nguyên tắc bổ sung cần chú ý như sau:+ Kích thước đường mạch in tín hiệu càng nhỏ càng tốt+ Khoảng cách giữa các đường mạch in tín hiệu với nhau phải ph ù hợp, không nên quá gần nếu không sẽ gây nhiễu , còn nếu quá xa sẽ rơi ra vùng không được lớp MASS ở lớptrên che chắn.

Hình 3.9: Mặt dưới của bản mạch in – dùng công nghệ Mtouch

Hình 3.10b: Mặt trên của bản mạch in –bàn phím sản phẩm thử nghiệm

Ở đây ,ta thấy đường mạch in tín hiệu bên dưới được lớp MASS bao phủ5. Tấm bìa phủ trên bề mặt ,để đóng vai trò là một điện môi phù hợp.

+ Lớp bìa càng mỏng, độ nhạy và độ chính xác của phím sẽ càng cao ,tuy nhiên không nên quámỏng Giá trị bề dày của lớp bìa này ( có thể là Mica hay Kính dẻo ) nên chọn từ: 2 mm -5 mm

Hình 3.11: So sánh giữa các tấm bìa có độ dày khác nhau

+ Phải chọn lớp điện môi có Hằng số điện môi phù hợp:

Hình 3.12: Hằng số điện môi của các loại vật liệu l àm bìa khác nhau

Ví dụ về trình tự tạo Bìa cho một một sản phẩm ứng dụng công nghệ Mtouch:

1>

Hình 3.13a: Tạo bìa (1)

2>

Hình 3.13b: Tạo bìa (2)

3>

Hình 3.13c: Tạo bìa (3)

Các Link tham khảo trên internet:

http://www.microchip.com/mtouch ( Mtouch homepage)

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2600&param=en535174 (Capacitive Sensing Module Guider )

http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en533510 (PIC16F72X datasheet )

http://dientuvietnam.net/forums/showthread.php?t=19653

http://www.youtube.com/watch?v=b1PjunQTSNw ( RP company’s MTouch)