宋洪儒，王宜懷，楊　凡,3

（1.銅陵學(xué)院　電氣工程學(xué)院，安徽　銅陵　244000；2.蘇州大學(xué)　計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇　蘇州　215006；3.銅陵學(xué)院　信息技術(shù)與工程管理研究所，安徽　銅陵　244000）

當(dāng)前，隨著多媒體信息查詢和移動手持終端電子產(chǎn)品的與日俱增，與傳統(tǒng)的觸點式按鍵相比，觸摸鍵具有方便易用、壽命長、節(jié)省空間、便于操作等諸多優(yōu)點，已被人們在日常生活中廣泛利用[1，2].在實際應(yīng)用中電容式觸摸鍵是比較普及的一種，雖然現(xiàn)在對電容式觸摸鍵有很多種設(shè)計方法，但是在硬件和軟件設(shè)計上缺少統(tǒng)一的構(gòu)件，沒有規(guī)范性和統(tǒng)一性，可重用性與可移植性較差，造成設(shè)計成本的增加，降低了工作效率，也會引起系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定.為了克服以上的缺點，解決觸摸鍵設(shè)計存在的問題，本文研究采用由ARM公司發(fā)布一款擁有全球最低功耗的微處理器ARM Cortex-M0+為內(nèi)核的KL25微控制器進行觸摸鍵的設(shè)計，在KL25微控制器中包含有一個具有觸摸感應(yīng)輸入功能的模塊（TSI模塊）用于設(shè)計觸摸按鍵.

怎樣在KL25微控制器芯片上進行觸摸鍵構(gòu)件設(shè)計是本文研究的重點，根據(jù)TSI基本技術(shù)要素進行觸摸感應(yīng)軟硬件構(gòu)件設(shè)計，軟件構(gòu)件設(shè)計由頭文件和源代碼文件組成，在調(diào)用函數(shù)時只需調(diào)用頭文件中的函數(shù)即可實現(xiàn)所需功能要求，而源代碼文件是對相應(yīng)頭文件函數(shù)的編程，在調(diào)用函數(shù)時此部分內(nèi)容無須改動或改動很小，硬件構(gòu)件設(shè)計根據(jù)MCU功能引腳不同在使用時改變構(gòu)件的接口標(biāo)號，這樣就提高了軟硬件的可重用性和可移植性.通過不同的實驗環(huán)境對TSI構(gòu)件設(shè)計進行實驗驗證，證明該設(shè)計方法具有很強的穩(wěn)定性.

1　TSI模塊的工作原理

觸摸感應(yīng)輸入（TSI）模塊具有高靈敏和強魯棒性的電容觸摸感應(yīng)檢測能力，該模塊通過預(yù)設(shè)待檢測對象的閾值與感應(yīng)到檢測對象的電極電容值相比較，如檢測到電容值大于預(yù)設(shè)閾值時，會觸發(fā)TSI的中斷請求標(biāo)志位并置位，執(zhí)行TSI中斷服務(wù)程序，從而實現(xiàn)觸摸感應(yīng)的功能.

TSI模塊檢測觸摸感應(yīng)電容值是通過使用電極振蕩器和參考振蕩器兩個振蕩器相結(jié)合的方法，電極振蕩器的作用是產(chǎn)生三角波電壓實現(xiàn)對外部電極電容進行充放電壓值上限和下限進行限制，而三角波電壓信號的頻率也受外部電極電容變化影響，當(dāng)電容增加時，三角波電壓信號的頻率減小，周期變大.參考振蕩器的作用是由該振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號作為參考節(jié)點，對三角波電壓信號的周期進行檢測計數(shù)，當(dāng)三角波電壓信號周期增大時，對應(yīng)計數(shù)值也會增大[3].三角波電壓信號變化如圖1所示.

圖1　三角波電壓信號變化圖

圖1是感應(yīng)電容增大時三角波變化情況，從圖中可以看出，以觸摸感應(yīng)變化為分界點，在一個周期時間內(nèi)，三角波信號在觸摸感應(yīng)沒有變化之前的計數(shù)時鐘個數(shù)小于觸摸感應(yīng)變化后的計數(shù)時鐘個數(shù).感應(yīng)電容減小時，變化情況相反.

電容檢測值由參考振蕩器頻率和電極采樣時間等參數(shù)決定，參考振蕩器頻率方程為：

電極采樣時間是由TSI振蕩器頻率信號先經(jīng)過分頻器進行分頻，再進入計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)值從0計到最大值，最大值由TSI0_GENCS寄存器中NSCN位定義，電極采樣時間方程：

在檢測電容值期間，電容檢測結(jié)果由TSI參考振蕩器周期值來定義，儲存到TSICHnCNT寄存器中，電容檢測值由式（2）可得.

由上述方程（1）～（3）可以得到電容式檢測方程：

其中在式（1）～（4）中參數(shù)，PS：預(yù)分頻值，Cref：內(nèi)部參考電容器的電容，Iref：參考振蕩器電流源，NSCN：掃描次數(shù)，Celec：電極電容，ΔV：滯環(huán)三角波電壓差值.在以上參數(shù)中只有參數(shù)電極電容Celec是變量，其他參數(shù)都是在寄存器中預(yù)先設(shè)置的常量，可以將測量電容值方程簡化為：TSICHnCNT=K×Celec，從簡化式中可以看出，電容測量值與電極電容成正比關(guān)系，隨著感應(yīng)電極電容的變化，檢測的電容值也在變化[4].

2　TSI構(gòu)件設(shè)計

根據(jù)TSI模塊的工作原理，對檢測程序進行軟件設(shè)計.在軟件設(shè)計時，為提高軟件設(shè)計的規(guī)范性，可重用性與可移植性，滿足TSI模塊應(yīng)用到不同控制系統(tǒng)時，能達到在調(diào)用源程序文件時不必修改或者修改很少的目的，需要進行構(gòu)件設(shè)計.在構(gòu)件設(shè)計過程中，關(guān)鍵對要設(shè)計構(gòu)件的共性和個性進行區(qū)別和分析，才能設(shè)計出規(guī)范的和可用的構(gòu)件.構(gòu)件由頭文件（.h）和源程序文件（.c）兩部分組成，頭文件（.h）是在應(yīng)用到不同系統(tǒng)中時，直接進行調(diào)用部分，設(shè)計頭文件就要做到在不查看源程序文件情況下，能夠完全使用該構(gòu)件進行程序的開發(fā).源程序文件（.c）是對頭文件中包含的函數(shù)進行具體功能實現(xiàn)，在內(nèi)容要求上需要合理設(shè)計外接口函數(shù)，在構(gòu)件應(yīng)用到不同的控制系統(tǒng)中時，不需要修改或修改很小[5].

KL25芯片共有16個引腳具有觸摸感應(yīng)功能，一個引腳對應(yīng)一個數(shù)據(jù)通道，在設(shè)計時需要定義使用的具體通道號，由于16個引腳都具有復(fù)用功能，通過引腳控制器的引腳復(fù)用控制（MUX）來設(shè)定引腳的具體功能.具體TSI引腳分配見表1.

表1　KL25的TSI引腳分配表

2.1　頭文件（tsi.h）構(gòu)件設(shè)計

TSI模塊構(gòu)件由頭文件（tsi.h）和源代碼文件（tsi.c）組成，根據(jù)功能需求在頭文件（tsi.h）中，主要進行以下幾種函數(shù)模塊的定義：TSI初始化模塊(tsi_init)：void tsi_init(uint_8 chnl-Num,uint_32 threshold)，其中chnlNum表示通道號，threshold表示觸發(fā)閾值；獲取TSI通道的計數(shù)值模塊(tsi_get_value16)：uint_16 tsi_get_value16()；設(shè)定TSI通道的閾值模塊(tsi_set_threshold)：void tsi_set_threshold(uint_16 Lth,uint_16 Hth)，其中Lth表示閾值下限，Hth表示閾值上限；使能TSI開中斷模塊(tsi_enable_re_int)：void tsi_enable_re_int()；使能TSI關(guān)中斷模塊 (tsi_disable_re_int)：void tsi_disable_re_int()；開啟一次軟件掃描模塊 (tsi_softsearch)：void tsi_softsearch().在軟件設(shè)計過程中，需要使用哪個模塊只需直接調(diào)用函數(shù)即可.

2.2　源代碼文件（tsi.c）構(gòu)件設(shè)計

源代碼文件（tsi.c）主要是對頭文件中包含的幾種函數(shù)模塊進行具體的編程，通過對系統(tǒng)時鐘門控寄存器（SIM_SCG5），通用控制和狀態(tài)寄存器（TSI0_GENCS），DATA寄存器（TSI0_DATA），閾值寄存器（TSI0_TSHD）等的設(shè)置實現(xiàn)其功能.源代碼文件基本設(shè)計有以下幾個步驟[6]：

（1）首先進行初始化函數(shù)tsi_init模塊的編程：①在該函數(shù)中設(shè)置系統(tǒng)時鐘門控寄存器（SIM_SCG5），打開TSI模塊時鐘源，設(shè)置“1”打開時鐘，功能語句為BSET(SIM_SCGC5_TSI_SHIFT,SIM_SCGC5)；選擇A端口為時鐘門，由功能語句BSET(SIM_SCGC5_PORTA_SHIFT,SIM_SCGC5)實現(xiàn)，由于在A端口中有5個引腳（PTA0～PTA4）都具有TSI功能，并且A端口是復(fù)用端口，所以在使用TSI功能時是需要由引腳控制寄存器（PORT_PCR）中MUX選擇引腳復(fù)用功能，語句為PORTA_PCR(0～4)=PORT_PCR_MUX(0)，其中 PORTA_PCR(0～4)的0～4表示TSI的1～5通道.②在通用控制和狀態(tài)寄存器（TSI0_GENCS）中進行參數(shù)設(shè)置，選擇TSI在低功耗模式下工作；參考振蕩器充放電時的電流值為4uA；振蕩器充放電電壓的峰谷值電壓分別為峰值Vp=1.18V，谷值電壓Vm=0.45V；電極振蕩器充放電電流值16uA；預(yù)分頻值為4；每個電極掃描4次；開啟TSI模塊使能位；中斷使能位等操作.③在DATA寄存器（TSI0_DATA）中設(shè)置通道號，語句為TSI0_DATA|=(TSI_DATA_TSICH(chnlNum)).通過對以上參數(shù)的詳細配置，已經(jīng)初步完成了初始化函數(shù)模塊編程，具體初始化程序如下.

BCLR(TSI_GENCS_TSIIEN_SHIFT,TSI0_GENCS);

BSET(TSI_GENCS_STPE_SHIFT,TSI0_GENCS)；

TSI0_GENCS|=(TSI_GENCS_REFCHRG(3)

|TSI_GENCS_DVOLT(1)

|TSI_GENCS_EXTCHRG(5)

|TSI_GENCS_PS(2)//電極振蕩器4分頻

|TSI_GENCS_NSCN(11);//每個電極掃描4次

BCLR(TSI_GENCS_ESOR_SHIFT,TSI0_GENCS);//設(shè)置超過閾值產(chǎn)生中斷

BCLR(TSI_GENCS_STM_SHIFT,TSI0_GENCS);

BSET(TSI_GENCS_OUTRGF_SHIFT,TSI0_GENCS);

BSET(TSI_GENCS_EOSF_SHIFT,TSI0_GENCS);//超出閾值置位，EOSF為1設(shè)置成掃描完成狀態(tài)

TSI0_DATA|=(TSI_DATA_TSICH(chnlNum));//選擇通道

BSET(TSI_GENCS_TSIEN_SHIFT,TSI0_GENCS);//TSI模塊使能

TSI0_TSHD=threshold；

（2）獲取返回值函數(shù)tsi_get_value16模塊：主要是啟動一次TSI掃描，獲取TSI通道的計數(shù)值，將計數(shù)值保存并返回.該函數(shù)的實現(xiàn)主要是通過在通用控制和狀態(tài)寄存器（TSI0_GENCS）中設(shè)置開關(guān)中斷和產(chǎn)生中斷方式以及在DATA寄存器（TSI0_DATA）中設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)讀取計數(shù)寄存器中值的目的，計數(shù)值定義為value=(TSI0_DATA&TSI_DATA_TSICNT_MASK).具體參考程序如下.

BCLR(TSI_GENCS_TSIIEN_SHIFT,TSI0_GENCS);BSET(TSI_DATA_SWTS_SHIFT,TSI0_DATA);

while(!(TSI0_GENCS&TSI_GENCS_EOSF_MASK));

BSET(TSI_GENCS_EOSF_SHIFT,TSI0_GENCS);//寫 1清0掃描結(jié)束標(biāo)志位

value=(TSI0_DATA&TSI_DATA_TSICNT_MASK);BSET(TSI_GENCS_OUTRGF_SHIFT,TSI0_GENCS);//寫1清0超值標(biāo)志位

BSET(TSI_GENCS_EOSF_SHIFT,TSI0_GENCS);//清掃描結(jié)束標(biāo)志位

BSET(TSI_GENCS_TSIIEN_SHIFT,TSI0_GENCS);

（3）設(shè)置TSI閾值函數(shù)tsi_set_threshold模塊：對閾值寄存器（TSI0_TSHD）進行參數(shù)設(shè)置，閾值寄存器TSI0_TSHD是32位寄存器，包含高16位THRESH存儲閾值上限值和低16位存儲閾值下限值.預(yù)設(shè)TSI通道的觸發(fā)下限閾值和上限閾值，若TSI通道檢測值超出預(yù)設(shè)閾值的上下限時，則TSI模塊認(rèn)為TSI引腳上有TSI事件觸發(fā)，將會自動設(shè)置TSI觸發(fā)標(biāo)志位，產(chǎn)生中斷服務(wù)請求.具體參考程序如下.

voidtsi_set_threshold(uint_16 Lth,uint_16 Hth)

{uint_32thresholdValue;

thresholdValue=Hth;//高16位為上限閾值

thresholdValue=(thresholdValue＜＜16)|Lth;//低 16 位為下限閾值

TSI0_TSHD=thresholdValue;}

（4）使能 TSI模塊函數(shù) tsi_enable_re_int(開 TSI中斷)和關(guān)閉TSI模塊函數(shù)tsi_disable_re_int(關(guān)TSI中斷)，這兩個模塊通過對通用控制和狀態(tài)寄存器（TSI0_GENCS）中的控制位分別進行由BSET置1開啟和BCLR清0關(guān)斷中斷功能.具體參考程序如下.

BSET(TSI_GENCS_TSIIEN_SHIFT,TSI0_GENCS);

BSET(TSI_GENCS_STM_SHIFT,TSI0_GENCS);

enable_irq(26);//開中斷

BCLR(TSI_GENCS_STM_SHIFT,TSI0_GENCS);

BSET(TSI_DATA_SWTS_SHIFT,TSI0_DATA);

disable_irq(26);//關(guān)中斷

3　TSI檢測程序設(shè)計

TSI檢測程序主要有主函數(shù)main和中斷函數(shù)兩部分組成.

3.1　主函數(shù)main設(shè)計

在main函數(shù)設(shè)計時，主要完成以下功能：

（1）設(shè)置TSI模塊所使用的通道號并調(diào)用TSI初始化函數(shù).

uint_8chnlNum=2； //TSI選擇通道2

tsi_init(chnlNum,TSI_VALUE)； //調(diào)用初始化TSI函數(shù)

在初始化函數(shù)中參數(shù)TSI_VALUE的設(shè)置在頭文件include中定義宏賦初始值，#define TSI_VALUE0x00620050，其中32位閾值表示下限值和上限值，其中高16位為上限值，低16位為下限值.

（2）調(diào)用TSI中斷使能函數(shù)和串口中斷使能函數(shù).

tsi_enable_re_int()； //開 TSI中斷

uart_enable_re_int(UART_1)//開串口1中斷

（3）調(diào)用串口1初始化函數(shù)和軟件掃描函數(shù).

uart_init（UART_1，9600）;

tsi_softsearch();

串口1函數(shù)的編程不是本文談?wù)摰闹攸c，在這里就不做詳細的設(shè)計說明.

3.2　TSI中斷函數(shù)設(shè)計

當(dāng)獲得的通道計數(shù)值超出設(shè)定閾值的上限范圍時，會產(chǎn)生TSI中斷響應(yīng)，執(zhí)行中斷函數(shù)獲取計數(shù)值，并通過串口1發(fā)送給PC機.為了保證獲得檢測值的穩(wěn)定，需要對檢測值進行中值濾波處理，參考程序如下.

voidTSI0_IRQHandler(void)

{uint_16,k,j,average=0,sum1=0,sum=0,ave=0;

DISABLE_INTERRUPTS;

if(TSI0_GENCS&SI_GENCS_OUTRGF_MASK)

{i=tsi_get_value16();//獲取計數(shù)值

for(j=0;j＜100;j++)//中值濾波

{for(k=0;k＜150;k++)

{sum1=sum1+i;}

average=sum1/150;

sum1=0;

sum=sum+average;}

ave=sum/100;

if(ave/100!=0)

uart_send1(UART_1,(uint_8)(ave/100)+′0′);

ave=ave%100;

if(ave/10!=0)uart_send1(UART_1,(ave/10)+′0′);ave=ave%10;if(ave!=0)

uart_send1(UART_1,(uint_8)(ave)+′0′);

uart_send1(UART_1,′ ′);}

TSI0_GENCS|=TSI_GENCS_OUTRGF_MASK;//寫1清除

ENABLE_INTERRUPTS;}

4　TSI檢測電路和檢測分析

4.1　檢測電路

TSI檢測電路如圖2所示，該圖中觸摸片通過電阻R101直接與CPU上具有觸摸感應(yīng)功能的PTA1引腳相連，P1為觸摸片.該檢測電路設(shè)計成硬件構(gòu)件，在應(yīng)用到其他觸摸電路中時，構(gòu)件MCU引腳功能修改端口標(biāo)號就能正常使用，無須再重新設(shè)計.

圖2　檢測電路

在電路設(shè)計時，電阻的作用是過電流保護和提高抗干擾能力，電阻選擇要合理，電阻值選擇過大，引起信號感應(yīng)信號較弱.電阻值選擇過小，抗干擾能力差，引起感應(yīng)信號不穩(wěn)定.

4.2　TSI檢測分析

在TSI檢測時，兩個關(guān)鍵參數(shù)影響檢測值，即觸摸片串聯(lián)電阻值和預(yù)設(shè)閾值.（1）預(yù)設(shè)閾值的設(shè)置方法：觸摸感應(yīng)引腳在受外界電磁場的干擾時，也會產(chǎn)生一個干擾閾值，如果設(shè)置的閾值上限值低于干擾閾值或者閾值下限值超過干擾閾值，觸摸片會在干擾信號影響下自動產(chǎn)生中斷，抗干擾能力較差.如果設(shè)置閾值上限值遠大于干擾閾值，會引起觸摸片反應(yīng)不靈敏，不能實時產(chǎn)生中斷響應(yīng)，準(zhǔn)確地輸出檢測值.所以，在預(yù)設(shè)閾值時，要考慮上下限閾值的取值范圍，上限值一定要高于干擾閾值，下限值也要低于干擾閾值，這樣才能避免由于外界的干擾而自動產(chǎn)生觸發(fā)中斷.在上下限閾值的設(shè)置上，關(guān)鍵是先確定下限閾值，在下限值不變的情況下，確定上限閾值的選取范圍，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，干擾閾值也在發(fā)生變化，預(yù)設(shè)上下限閾值也要進行相應(yīng)的調(diào)整，才能達到觸摸感應(yīng)片比較理想的工作狀態(tài).（2）電阻值大小選擇合理，在檢測時，在預(yù)設(shè)閾值確定后，再調(diào)整電阻值的大小，進行檢測值.

圖3和圖4分別選取以2mm的塑料殼和2.5mm的亞克力玻璃兩種不同材質(zhì)為例作為觸摸片進行檢測實驗，閾值選取為TSI_VALUE=0x00800040，串聯(lián)電阻R取不同阻值時得到的實驗數(shù)據(jù).在圖中橫軸表示測量次數(shù)，縱軸表示測量感應(yīng)值，選取連續(xù)進行30次檢測所得數(shù)據(jù)進行分析.

圖3　塑料殼（2mm）對比圖

圖4　亞克力玻璃（2.5mm）對比圖

通過圖3和圖4圖形變化可以看出，不同的實驗環(huán)境，產(chǎn)生的觸摸感應(yīng)值的大小不同，由于受外界環(huán)境的干擾，都會有誤差值產(chǎn)生，而在對于同一種環(huán)境下，串聯(lián)電阻R對測量值有很大的影響，串聯(lián)電阻值R=50Ω和10KΩ時，測量所得值變化較大，通過實驗驗證R值的選取范圍在500Ω～2KΩ最為合適，在保證檢測值穩(wěn)定的前提下，從低功耗角度考慮，R選擇在1KΩ最為合適.同時，閾值范圍的選取不同，決定感應(yīng)的靈敏度，隨著閾值上限值的增加，對觸摸片的感應(yīng)能力在逐漸地減弱.根據(jù)實驗所得，2mm的塑料殼和2.5mm的亞克力玻璃閾值上限值分別選取到Hth=0x0087和Hth=0x0086時，觸摸感應(yīng)片不能產(chǎn)生中斷響應(yīng)，在串口上不能輸出檢測值.

5　結(jié)束語

通過對KL25微控制器觸摸感應(yīng)工作原理詳細分析，結(jié)合實際的應(yīng)用詳細解析了TSI構(gòu)件設(shè)計過程和方法，給出了檢測主程序和中斷程序，并在閾值范圍的設(shè)置上進行了說明，最后進行不同環(huán)境的實驗測試.實驗結(jié)果表明該觸摸鍵設(shè)計方法有很好的穩(wěn)定性.構(gòu)件設(shè)計具有的規(guī)范性和統(tǒng)一性，便于函數(shù)的調(diào)用和移植，提高軟件設(shè)計的工作效率，有效降低觸摸按鍵編程的技術(shù)門檻，為觸摸按鍵的應(yīng)用開發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用方面具有廣闊的應(yīng)用前景.

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