Un controller per sensori capacitivi - Elettronica...

ELETTRONICA OGGI 373 - DICEMBRE 200798

Nella quasi totalità delle attuali appli-cazioni di tipo elettronico l’in -terfaccia hardware uomo-macchi-

na viene attivata tipicamente attraverso con-trolli a pressione, siano essi a tasti o a mem-brana. Questi controlli, in seguito all’attiva-zione, provvedono di fatto a chiudere uncontatto elettrico, realizzando quindi un“corto” fra due conduttori, che viene poirilevato da un circuito di decodifica, analogoai comuni “keyboard encoder” usati nelle

tastiere dei computer, siano essi portatilioppure desktop. Del tutto analoga la tecnicautilizzata anche nei comuni telefoni cellula-

ri, dove la pressione deitasti porta una mem -brana in gom ma a crea-re un contatto fra un pic-colo disco conduttore edue piazzole del circuitostampato sottostante.Identica la situazionenelle interfacce di con-trollo industriale.

lettronica

Gli array di sensoricapacitivi

vengono utilizzati in un’ampia gamma

di applicazioni, ma non sempre

è facile interfacciarli con i circuiti digitali

Paolo De Vittor

Un controller per sensori capacitivi

TOUCH CONTROLE

Power-onresetlogic

Calibrationengine

CalibrationRAMControl

and dataregisters

Switchmatrix

250 kHzexcitation

source

Serial interfaceand control logic

Interruptand GPIO

logic

16-bit∑-∆CDC

272829

29

29

30

31

32

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

15

16

20

25

26

19

18

17

14

13

CIN0CIN1CIN2CIN3CIN4CIN5CIN6CIN7CIN8CIN9

CIN10CIN11CIN12CIN13

CSHIELD

SRC

SRC

VDRIVE

SDO/SDA

SDI/ADD0

SCLK CS/ADD1

INT

GPIO

AVCC

AGND

DVCC

DGND1

DGND2

TESTVREF- VREF+

21 242322

Fig.1 - L’uso dei sensori capacitivi asfioramento permette di conferiremaggior ergonomicità e migliore fun-zionalità all’applicazione, permetten-do inoltre di migliorarne l’aspetto

Fig. 2 – Schema ablocchi interno e pie-dinatura del capaci-tance-to-digital con-verter AD7142 diAna log De vices

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TOUCH CONTROLElettronica

Il controllo a sfioramentoUn’alternativa di tipo innovativoalla tecnica ora esposta è quellache in letteratura viene denomi-nata di “touch control”, dettacomunemente “a sfioramento”.Si tratta di una tecnica che uti-lizza un array di sensori capaci-tivi che permettono - opportu-namente codificati - di ottenereun controllo di tipo progressivo,semplicemente sfiorando unazona sensibile. Questa descri-zione porta subito alla mente lafunzionalità svolta dall’area di“touchpad” di un normale note-book, che per l’appunto si serveproprio di questa tecnica.Il poter sfruttare una funziona-lità simile anche per altri tipi dicontrolli presenti su molteinterfacce sarebbe non soloutile, ma permetterebbe anchedi conferire una maggior ergonomicitàe migliore funzionalità all’applicazione,permettendo inoltre di migliorarnel’aspetto. Non solo, ma i sensori capacitivi sidimostrano robusti, accurati, sensibilie di basso costo se paragonati ai classi-ci controlli a tasti.Le applicazioni tipiche vanno dai lettoriMP3 ai telefoni cellulari, dalle fotoca-mere digitali alle videocamere,dalle console dei videogiochi aimonitor e televisori LCD, daitelecomandi alle interfacce dicontrollo, dagli apparecchimedicali alla strumentazione ingenere (Fig. 1).Non si dimentichi inoltre che isensori capacitivi vengono usatianche in altri importanti ambiti,come ad esempio la misura diprecisione di piccoli spessori,nella misura dell’umidità, dellapressione, nei sensori di livello,di flusso, di prossimità e diposizione.

Il problema dell’interfacciaIl problema, in soluzioni a sensori capa-citivi, è però quello del circuito di inter-faccia verso il sistema di controllo, poi-ché è necessario “mappare” un interoarray di condensatori, ciò che richiedenon solo un elevato numero di linee dicollegamento, ma estese funzionalità disignal-processing nonché il ricorso ad

una sezione analogica e ad uno opiù chip digitali dedicati. Nonsolo, ma il problema è complica-to dal fatto che i valori capacitivitipici dei sensori capacitivi vannodai 50 fF ai 20pF, ciò che crea dif-ficoltà nel rilevare con certezzale piccole variazioni dovute alsemplice sfioramento.Viene in aiuto - a questo propo-sito - una serie di CDC (Capaci -tance to Digital Controller) rea-lizzati da Analog Devices, che siè di fatto specializzata in questosettore. I dispositivi offerti sonoin grado di interfacciarsi con un

massimo di 14 sensori, offrono unarisoluzione fino a 24-bit, un through-put-rate fino a 100 campionamenti alsecondo ed offrono interfacce serialistandard SPI e I2C.A merito di Analog Devices, vale la penadi ricordare che il capacitance-conver-ter AD7445 ha vinto il premio “Best ofSensor Expo Award, Gold Award” giànel 2005: il converter, basato su di un

Adc di tipo sigma-delta con unarisoluzione di 24-bit, è in gradodi rilevare cambiamenti di capa-cità d’ingresso di soli 20 aF

Elettrodo BSRC

Lineedel campoelettrico

Sezionedel sensore

Minorecapacità

Elettrodo ACIN

Fig. 3 - L’avvicinamento deldito al sensore capacitivo pro-voca una diminuzione dellacapacità

Dati a 16-bitSegnaledi eccitazione250 KHz

TXRX

∑-∆ADC

Lineedi forzadel campo elettrico

AD7142AD7142

Fig. 4 – La variazione di capa-cità viene rilevata dal circuitodel capacitance-to-digital con-verter interno all’AD7142



ElettronicaTOUCH CONTROL

(attoFarad, ovvero un milionesimo dipicoFarad).Ma come operano questi CDC? Come sicollocano nel finale? Quali scelte effet-tuare? Di seguito alcuni esempi.

I capacitance-to-digital converterUn tipico rappresentante della famigliadi CDC prodotti da Analog Devices èl’AD7142, il cui schema a blocchi inter-no è visibile in figura 2. Il chip integra lapossibilità di effettuare una calibrazioneal fine di consentire l’impiego di nuovemodalità di ingresso definite dall’utente,ed è in grado di interfacciarsi con sen-sori che svolgono le funzioni di bottonicapacitivi, scroll-bar, rotelle (quale lafamosa “scroll-wheel dell’iPod) o combi-nazioni di questi tipi.

Come si può notare dallo schema a bloc-chi, le 14 linee d’ingresso sono connes-se ad una matrice di commutazione lacui uscita pilota un converter di tiposigma-delta con una risoluzione di 16-bit, ovvero in grado di rilevare variazio-ni di capacità inferiori a 1 femtoFarad. Ilflusso di dati in uscita al converter subi-sce una correzione da parte di una “cali-bration engine” che provvede alla cali-brazione automatica periodica dellasoglia e della sensibilità della risposta alvariare delle condizioni ambientali,

memorizzando i parametridi calibrazione in un’ap -posita “calibration Ram”.I 14 sensori - il cui valoreviene letto ogni 36 msec -vengono pilotati da unsegnale ad onda quadra da250 KHz che viene genera-to on-chip senza la neces-sità di componenti R-Cesterni. L’inter faccia può essere ditipo SPI (AD7142) oppureI2C (AD7142-1), con ladisponibilità di una utile

VDRIVE per il circuito di interfaccia.Sono altresì disponibili un’uscita diinterrupt ed una di I/O generico GPIO.L’alimentazione può andare da 2.6 a 3.6V e la corrente assorbita va da 1 mA inmodalità full power a soli 50µA in low-power, modalità che può essere profi-cuamente utilizzata quando l’utente nonmodifica alcun sensore. Il tutto ospitato in un package da 5 x 5millimetri a 32-pin (LFCSP_VQ) ingrado di operare anche in range auto-mobilistico, da -40 a +150°C. Importante

31500

31000

30500

3000020 40 60 80 1000

Dito in prossimitàdel sensore

Sogliaprogrammabile

FS

Tempo (millisecondi)

Co

dic

e d

i usc

ita

del

l’AD

C

25%

95,32%

Fig. 5 – Tipico andamentodi variazione del codicedigitale fornito dal con-verter in corrispondenzadel contatto del dito

Ingressosensore

Segnalea 250 KHz

CSHIELDSPII2C

INT INTERRUPT

INTERFACCIASERIALE

AD7142

PROCESSORE DI SISTEMACAPACITANCE E-CONVERTER

SENSORECAPACITIVO

Scheda sensore-converter

Fig. 6 - L’insieme delle linee di con-trollo e di interfaccia fra sensore, CDCe processore di sistema



ElettronicaTOUCH CONTROL

anche la protezione contro le scaricheelettrostatiche, che raggiunge i 2,5 KV.Gli altri converter della famiglia posso-no operare da 3 a 5 V, possono interfac-ciarsi ad un ridotto numero di sensori(1, 2, 3 e 4) e possono integrare un sen-sore di temperatura di precisione conuna risoluzione di 0,1°C ed un’ac -curatezza di ±2°C, mentre la precisionepuò essere di 16, 21 o 24-bit. Esistonoversioni (come ad esempio gli AD7745 eAD7746) in grado diaccettare una tensioned’ingresso, u tile perinterfacciarsi con senso-ri di temperatura qualiRTD, termistori o diodi.

Misurare la variazione di capacitàUn vantaggio dei senso-ri capacitivi è rappresen-tato dal fatto di poterlicomodamente realizza-re direttamente sul cir-cuito stampato sfruttan-do le normali piste dirame, e come dielettricolo stesso supporto epos-sidico ricoperto da una

comune vernice isolante o analogheresine, lacche o gomme. Vi sono varie geometrie utilizzabili, chevanno dalle strutture “a pettine” a quel-le concentriche. Fra ciascuna dellearmature adiacenti le linee del campoelettrico si disperdono anche verso lasuperficie esterna (Fig. 3), el’avvicinamento del dito - connesso aterra - provoca una diminuzione delvalore capacitivo.

Tale variazione vienerilevata dal circuito delcapacitance-to-digitalconverter in ter no al -l’AD7142 (Fig. 4) cheprovvede ad inviarnesegnalazione al sistematramite il bus seriale. Non appena viene digi-talizzato il dato corri-spondente ad uno deisensori, è possibile

intervenire per programmare i livelli disensibilità di soglia di ogni singolo sen-sore settando il corrispondente registroa 16-bit. I livelli di soglia possono essereregolati dal 25% al 95% del fondo scalafornito dal sensore, in modo da perso-nalizzare l’applica zione. Nel diagrammadi temporizzazione di figura 5 è visibileun tipico andamento di variazione delcodice digitale fornito dal converter incorrispondenza del contatto del dito.

Soglia superiore

Deriva dell’uscitarispetto al valoreiniziale

Soglia inferiore

Interrupt sensore 1

Interrupt sensore 2

Variazione delle condizioni ambientali

Co

dic

i d’u

scit

a d

el C

DC

-co

nver

ter

Fig. 7 - Al variaredelle condizioni am -bientali, il circuito delCDC provvede a tra-slare le soglie di rile-vamento in funzionedella deriva del valorecapacitivo a riposo

+DAC(20pF RANGE) 7 POS_AFE_OFFSET

+

+

-DAC(20pF RANGE) 7 NEG_AFE_OFFSET

POS_AFE_OFFSET_SWAP BIT

NEG_AFE_OFFSET_SWAP BIT

CIN_CONNECTION_SETUPREGISTER

CIN

SRC

Sensor

16-BITCDC

+

-16

Fig. 8 - Inserendo unopportuno valore neiregistri di offset del -l’AD7142 è possibileprogrammare i dueDac interni in mododa compensare glieffetti delle capacitàparassite


In figura 6 è visibile lo schema dellelinee di controllo e di interfaccia fra sen-sore, CDC e processore di sistema.

La compensazione ambientaleAffinché l’applicazione sia affidabile, ènecessario che l’insieme sensore-con-vertitore sia immune dagli effetti dovutialle variazioni dell’ambiente in cui operae sappia mantenere adeguati livelli disensibilità in ogni condizione. Infatti,poiché il sensore capacitivo è spessorealizzato su di un layer di circuito stam-pato, le variazioni di umidità, di tempe-ratura o dello spessore dello strato iso-lante sovrapposto al sensore possonofar variare la costante dielettrica delmateriale, con conseguente deriva dellacapacità, che è proprio il parametro chesi va a monitorare. Non si pensi chevariazioni di umidità e temperaturasiano rare o ridotte: basti pensare adesempio ad un cellulare che passi da unambiente con aria condizionata all’ester-no in caso di pioggia.È ovvio che in queste condizioni il cir-cuito del CDC (il capacitance-conver-

ter) deve essere in grado di effettuareuna compensazione continua in temporeale della deriva della capacità, se sidesidera garantire l’accuratezza dellamisura. E infatti i dispositivi progettatida Analog Devices provvedono autono-mamente anche a questa funzione, e ciòavviene modificando dinamicamente ilivelli di soglia alto e basso, in modo dagarantire un contatto ottimale del sen-sore capacitivo.Come si può vedere in figura 7, infatti, ilcircuito del CDC provvede a traslare lesoglie di rilevamento in funzione delladeriva del valore capacitivo a riposo,ovvero quando l’utente non effettuaalcun contatto con il sensore, dopo ognisegnale di interrupt.Un altro problema applicativo è derivatodalle capacità parassite dei conduttoriche collegano il converter al sensore ofra i diversi layer del PCB, con valoriche possono raggiungere i 20pF. Percompensare tale effetto, il circuito delCDC può essere programmato per azze-rare tale offset. Infatti, osservando il cir-cuito interno dell’AD7142 di figura 8, si

può vedere come inserendo un opportu-no valore nei registri a 7-bit diAFE_OFFSET è possibile programmarei due Dac interni con incrementi di 0,16pF in modo da azzerare l’offset delCDC; questa operazione va effettuatasolo durante la fase di caratterizzazioneiniziale del sensore.Un’altra fonte di disturbo può essereprovocata dai disturbi elettromagneticiemessi dal processore di sistema, chepossono essere intercettati dalle pistedel circuito stampato. Per tale motivo èutile ridurre al minimo la lunghezzadelle tracce che collegano il CDC al sen-sore capacitivo, e inoltre è bene utilizza-re uno dei layer del circuito stampatocome schermo di massa. Per quantoriguarda l’impiego pratico del pin diCSHIELD si veda l’esempio applicativodello schema di figura 9, in cui l’AD7142gestisce 2 sensori di tipo slider, un “joy-pad” e 4 bottoni a sfioramento. ✍

Analog Devicesreaderservice.it n. 19

1

2

3

4

5

6

7

8

32 31 30 29 28 27 26 25

VCC

Sensor PCB Layer 4

Sensor PCB Layer 3

Slid

er

Slider

Sen

sor

PC

B L

ayer

1

Sen

sor

PC

B L

ayer

2

B B

B B

Joypad

CIN3

CIN4

CIN5

CIN6

CIN7

CIN8

CIN9

CIN10

CS/ADD1

SCLK

SDI/ADD0

SDO/SDA

VDRIVE

DGND2

DGND1

DVcc

CIN

1

CIN

2

CIN

0

VR

EF-

VR

EF+

TE

ST

GP

IO INT

CIN

11

CIN

12

CIN

13

CB

IAS

AV

CC

AG

ND

SR

C

SR

C

AD7142

24

23

22

21

20

19

18

17

10 11 12 13 14 15 169

Fig. 9 - Converter qualil’AD7142 sono in grado digestire un elevato numerodi sensori a sfioramento,anche in più combinazioni

TOUCH CONTROLElettronica

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