Cortex-M4核Kinetis平臺的電容式觸摸鍵盤設計

摘要：針對傳統機械式按鍵的不足，采用飛思卡爾Kinetis平臺K60系列MCU，設計了一種電容式觸摸鍵盤。闡述了電容式感應觸摸原理，介紹了K60系列MCU的內部TSI模塊工作機制，給出了簡化的接口設計和鍵盤PCB布局方法，最后詳細地分析了TSI模塊軟件驅動設計流程。
關鍵詞：Cortex-M4；電容式觸摸；Kinetis；TSI模塊；鍵盤PCB布局

引言
隨著現代電子產品的日益更新和智能化發展，人機交互接口(HMI)得到越來越多的關注和應用，豐富了人們的體驗．而作為其中重要的一部分，觸控感應技術也在快速發展。觸摔技術目前來講主要分為電阻式觸控和電容式觸控，作為近年來飛速發展的新技術，電容式觸控感應技術以其無機械損耗、壽命長、靈敏度高、節省空間和觸摸動作豐富等優點得到越來越廣泛的應用，與此同時，半導體廠商也不斷地推出相應技術的IC以簡化硬件設計人員的開發。汽車電子行業領先的飛思卡爾半導體廠商就在其新近推出的基于ARM Cortex-M4核的32位Kinetis系列MCU架構之中嵌入了高性能的電容式觸摸感應接口(Touch Sensing Interface，TSI)模塊，增強了電容觸摸感應的穩定性和魯棒性，同時也極大地簡化了設計人員的開發過程。本文中設計的系統就是利用Kinetis系列中的K60MCU作為控制核心，完成電容觸摸鍵盤的軟硬件設計。

1 電容式觸摸感應原理
目前基于IC設計的電容式觸摸感應技術主要有兩種：一種是把電容值的變化轉換成電壓的變化，再通過內部特殊的電容模數轉換器經過A／D采樣算出電容量；另一種是把電容值變化轉換成內部計數器計數值的變化，在外部電極上產生三角波充放電電壓信號，通過對該三角波電壓信號的周期進行測量計數來反映外部電極的電容量變化。Silicon Labs推出的電容觸摸系列MCU采用的是前一種方法，而飛思卡爾的Kine tis K60內部集成的TSI模塊采用的則是后面一種方法。

TSI模塊通過內部的恒流源對外部電極進行充放電，形成三角波電壓信號，其內部硬件電路設計如圖1所示。三角波電壓信號的周期隨著外部電容的變化而變化，而手指作為虛擬地靠近電極時會造成電容容量的增加，使三角波電壓信號周期變長，如圖2所示。與此同時，TSI模塊內部還有一個固定容量的電容構成的振蕩器，以其產生的參考時鐘節拍對外部電極產生的三角波電壓信號的周期進行計數，外部電極電容量的變化引起三角波電壓信號周期的變化進而引起測量計數值的變化，再通過內部讀取相應的計數器值即可算出電容量變化。根據TSI內部運行機制，當電容值超出設定的觸發閾值時，TSI觸發標志位激活相應的中斷請求，實現電容觸摸感應事件的響應。