Tecnologia tattile capacitiva con soluzione di interfaccia utente

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Le opzioni tecnologiche di commutazione vengono estese per rispondere alle esigenze di apparecchi industriali e domestici intelligenti

Test & Measurement

La misura differenziale cancella gli effetti delle capacità parassite (Cp) fra i pannelli e la massa
La misura differenziale cancella gli effetti delle capacità parassite (Cp) fra i pannelli e la massa
Il controllore LC717A00 in modalità standalone può monitorare fino a otto canali sensore
Il controllore LC717A00 in modalità standalone può monitorare fino a otto canali sensore
La cancellazione delle capacità parassite attraverso la misura differenziale consente di avere tracce più lunghe per i sensori
La cancellazione delle capacità parassite attraverso la misura differenziale consente di avere tracce più lunghe per i sensori
Un rapporto superiore segnale-rumore assicura una rilevazione affidabile del tocco
Un rapporto superiore segnale-rumore assicura una rilevazione affidabile del tocco

I controlli tattili possono migliorare l’aspetto high-tech degli apparecchi intelligenti, ma occorre tenere conto di alcuni caveat quando si considerano la tecnologia di misura, la progettazione dei touchpad e la strategia di controllo. 

Le abitazioni e gli ambienti di lavoro di oggi sono sempre più spesso pervasi da apparecchi intelligenti, che sono progettati per essere accattivanti ed affidabili, e idealmente dovrebbero supportare interazioni semplici e gratificanti come quelle fornite dallo smartphone che si trova nella tasca dell’utente. 

Dato che nuovi apparecchi intelligenti come televisori, decoder, dispositivi audio, elettrodomestici, periferiche PC, pannelli di sicurezza e controlli industriali stanno facendo ingresso sul mercato pressochè di continuo, la progettazione dell’interfaccia e la qualità dell’esperienza utente offerta hanno un’influenza critica sulla loro appetibilità sul mercato e, in ultima analisi, sulle vendite e sui profitti. Creare una buona impressione attraverso l’interfaccia utente è vitale, e i progettisti possono scegliere fra una varietà di tecnologie come i convenzionali interruttori a pulsante o vari tipi di sensori tattili

Interruttore o Sensore Tattile, Pro e Contro 

Gli interruttori meccanici come le membrane o gli interruttori tattili sono una tecnologia matura che offre vantaggi quali il basso costo, la facile reperibilità e l’immediata integrazione con uno sforzo minimo di progettazione elettronica o di ingegnerizzazione del software. Questi tipi di interruttori forniscono anche la rassicurazione per l’utente, dando un riscontro tattile a conferma del fatto che la pressione del pulsante è stata rilevata. 

D’altra parte, alcuni svantaggi degli interruttori meccanici includono i tempi di risposta relativamente lenti, la scarsa affidabilità dovuta alla presenza di parti in movimento, e l’eventuale necessità di ulteriori circuiti per la soppressione del rumore o di eliminazione dei rimbarzi. 

Per contro, un sensore tattile può creare un’impressione più moderna, ed inoltre semplifica la costruzione e l’assemblaggio. Non sono richiesti intagli nel pannello, come invece è necessario per installare gli interruttori meccanici, e il progetto meccanico del pannello di controllo può essere semplificato. Il pannello può anche essere sigillato più facilmente contro l’ingresso di liquidi come l’acqua. Quest’ultima è una caratteristica preziosa per molti tipi di apparecchi, quali gli elettrodomestici da cucina come ad esempio le macchine del caffè, e allo stesso tempo migliora l’affidabilità oltre a semplificarne la pulizia. 

Fra le tecnologie tattili in uso oggi, che includono quelle ad effetto capacitivo, resistivo e piezoelettrico, la tecnologia tattile capacitiva è ampiamente usata fra i prodotti attualmente sul mercato. I sensori tattili capacitivi possono essere depositati facilmente su vetro o plastica, usando un processo come la serigrafia, e si può creare una varietà di forme quali pulsanti, barre di scorrimento o selettori rotativi. È inoltre semplice predisporre la retroilluminazione. In assenza di qualsiasi risposta meccanica a conferma dell’attuazione, come quella fornita da un interruttore tattile, il progettista può usare una luce per confermare la rilevazione del tocco. Questo può essere sfruttato per creare effetti di stile, ad esempio tenendo il pannello spento fino a quando non viene toccato ed usando effetti di cambiamento del colore o icone high-tech. È anche possibile introdurre segnali sonori discreti o motivi musicali udibili per complementare i controlli tattili. Tutti questi effetti si combinano bene con l’aspetto sofisticato che un’interfaccia utente sensibile al tocco può creare. 

Principi di Misura 

In generale, la misura capacitiva opera rilevando una variazione capacitiva del pannello sensibile quando la punta del dito dell’utente si avvicina. Nel tipo di rivelatore ad autorilevamento, il dito che si avvicina aggiunge di fatto capacità al sensore. La variazione aumenta la costante di tempo del circuito touchpad, che è rilevata dalla circuiteria di misura del tempo di carica implementata all’interno del controllore del sensore tattile

La misura mutua differenziale costituisce una tecnica alternativa, che individua una riduzione della capacità che si forma fra il pannello sensore e un pannello separato di eccitazione quando la punta del dito dell’utente si avvicina al pannello tattile. La variazione di capacità (ΔC) è rilevata e convertita in una tensione (Vout). La Figura 1 illustra il circuito di un amplificatore differenziale usato per generare Vout.

Quest’ultimo parametro ha una relazione lineare con ΔC e viene confrontato con la tensione di soglia (Vt). La rilevazione del tocco è segnalata quando Vout supera Vt. La misura mutua differenziale offre un vantaggio attraverso la migliore sensibilità su un ampio intervallo dinamico. I vantaggi pratici di questo effetto includono la flessibilità estesa in termini di progetto della disposizione dei sensori e la capacità di supportare lunghe file dei sensori grazie alla tecnica superiore di cancellazione delle capacità parassite (Cp) fra il pannello e la massa. In pratica, è stata dimostrata con successo la possibilità di gestire lunghezze di file di sensori fino a 500 mm.  

La Realizzazione del Controllore Tattile

Il sensore tattile deve avere un controllore elettronico con abbastanza canali per supportare il numero totale di pulsanti tattili richiesti. Storicamente il controllore è stato realizzato o come un IC singolo specifico per un’applicazione, oppure integrato in un microcontrollore. Una soluzione basata su microcontrollore potrebbe usare una combinazione di periferiche analogiche e di software, mentre altre periferiche forniscono funzionalità dedicate di controllo tattile su chip come l’unità di misura a tempo di carica (CTMU) per le applicazioni che fanno uso di rilevatori ad autorilevamento. Il produttore del microcontrollore può offrire gratuitamente la proprietà intellettuale software per il sensore tattile capacitivo, che aiuta a semplificare lo sviluppo del codice.  

La realizzazione di un controllore autonomo porta con sé numerosi vantaggi. Un IC come l’ LC717A00 di ON Semiconductor non richiede un microcontrollore host e possiede diverse caratteristiche intrinseche, fra cui la cancellazione del rumore e la rilevazione dell’acqua per evitare risponse spurie. Inoltre, è stata anche integrata la tecnologia brevettata di rilevazione automatica del rumore e di compensazione per le variazioni ambientali, per impedire i malfunzionamenti legati al rumore e per compensare gli effetti che possono alterarne la sensibilità, come le variazioni di umidità o l’accumulo di sporco sull’area sensibile. 

La circuiteria interna del controllore presenta un amplificatore unico per la conversione C/V, che converte la capacità differenziale monitorata in una tensione in uscita. Non è richiesta alcuna programmazione, il che può ridurre considerevolmente il tempo di sviluppo, e non sono necessari componenti esterni aggiuntivi, contribuendo così a minimizzare i costi per distinta materiali. La Figura 2 mostra 

l’LC717A00, usato in modalità standalone per controllare fino a otto sensori tattili capacitivi. Il dispositivo presenta una porta di comunicazione, I2C o SPI, che consente una comoda connessione ad un microcontrollore host, se necessario. 

Il controllore usa il metodo di trasmissione dei segnali differenziali, il quale fornisce alta sensibilità ed estende la libertà per i progettisti di creare pannelli di controllo in un’ampia varietà di forme, con lunghezze di connessione elevate se richiesto. La Figura 3 mostra il progetto di un pannello tattile di esempio, che presenta lunghezze di traccia estremamente elevate. La velocità di trasmissione dati è configurabile fino ad oltre 200 Hz, il che ne consente l’uso in apparecchi che richiedono una risposta rapida al tocco. 

L’alto rapporto segnale-rumore del controllore permette di effettuare misure tattili estremamente affidabili, anche se l’utente indossa guanti. Ciò in molti casi non è possibile con i sensori di tipo ad autorilevamento. Inoltre, le regole di progettazione che determinano la forma e le dimensioni degli elettrodi sensibili possono essere rilassate, così come le prescrizioni sugli effetti delle intercapedini d’aria, sullo spessore dei rivestimenti e sul materiale. La Figura 4 illustra un esempio dei livelli di segnale e di rumore ottenuti usando i dati reali del sensore. In questo esempio, il segnale corrisponde ad un valore misurato in uscita di 17.000, mentre il rumore di 160, di conseguenza il rapporto segnale-rumore (SNR) è di 106:1. 

Conclusione

La tecnologia tattile capacitiva possiede molti punti di forza come soluzione di interfaccia utente per i moderni apparecchi intelligenti. La misura differenziale mutua assicura la rilevazione affidabile del tocco e consente una maggiore libertà di progettazione nella disposizione del pannello di controllo e nella scelta dei materiali. Un IC per il controllo dei sensori tattili specifico per l’applicazione di tipo standalone supporta una comoda e rapida implementazione, basata sulla tecnica della misura differenziale mutua, e può fornire vantaggi quali l’eliminazione della necessità di ingegnerizzare il software, il risparmio di componenti esterni e l’accelerazione dei tempi di completamento del progetto. 

Steve Sheard, Responsabile Prodotti Strategici, ON Semiconductor

Pubblicato il 1 Settembre 2016 - (212 views)
ON Semiconductor
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