摘要

    本文介紹了使用MSP430 作為主處理器實(shí)現(xiàn)可充電的觸屏遙控模塊，該設(shè)計(jì)方案支持紅外（IR）信號傳輸，且可擴(kuò)展RF 和NFC 無線傳輸方式；用戶輸入采用觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)簡潔美觀；系統(tǒng)可由電池供電，且自帶可充電模塊，可由USB 或者直流電源適配器充電。TI 的430 系列MCU產(chǎn)品功耗低，可為便攜式電子設(shè)備提供更長的使用壽命；其內(nèi)嵌LCD 驅(qū)動(dòng)器，可以方便實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)；其支持多種觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)簡便靈活。

簡介

    遙控設(shè)備在日常生活中非常易見，家電遙控器、玩具遙控器等方便了用戶對設(shè)備的控制。針對不同需求，遙控設(shè)備設(shè)計(jì)也不同，例如電視機(jī)遙控器不帶顯示屏，通常用紅外信號傳輸；空調(diào)遙控器則帶顯示屏，常用紅外（IR）和射頻（RF）傳輸信號；另有一些高端遙控產(chǎn)品可通過手機(jī)等更新固件，實(shí)現(xiàn)版本的升級。本文介紹了一套用于遙控設(shè)備的通用方案，該方案支持 LCD 顯示；  支持紅外通信且可擴(kuò)展射頻通信方式；用戶輸入采用觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)，時(shí)尚美觀；本方案預(yù)留NFC 接口，可擴(kuò)展 NFC 功能；在電源管理方面，支持電池供電，USB 充電和無線充電，方便實(shí)用。

1 原理介紹

1.1 電容式觸摸按鍵原理

    觸摸按鍵在電子設(shè)備中得到越來越多的應(yīng)用。用觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的電磁爐，微波爐，電冰箱等家電產(chǎn)品越來越受青睞，預(yù)計(jì)未來會有越來越多的觸摸按鍵產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵產(chǎn)品。觸摸按鍵具有堅(jiān)固耐用，反應(yīng)速度快，節(jié)省空間，美觀大方，易于清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)。觸摸式按鍵可分為四大類，電阻式，電容式，紅外線式及表面聲波式感應(yīng)按鍵。其中電阻式，紅外線式和表面聲波按鍵主要應(yīng)用于觸摸屏中，在單個(gè)按鍵中很少使用。本方案將重點(diǎn)討論電容式觸摸按鍵在單個(gè)按鍵中的應(yīng)用。

    電容式觸摸按鍵采用電容量為判斷標(biāo)準(zhǔn)，在觸摸按鍵的設(shè)計(jì)中，它具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如可直接集成在 PCB 中，觸摸感應(yīng)區(qū)域外形尺寸設(shè)計(jì)靈活，相對成本較低等等。簡單來講，電容式觸摸按鍵在按下的時(shí)候改變了電容值，從而改變電路振蕩周期，通過對振蕩周期改變值的檢測實(shí)現(xiàn)對按鍵的檢測。圖1 是電容式觸摸按鍵原理示意圖。

圖 1    觸摸按鍵原理示意圖

    空載狀態(tài)下，感應(yīng)區(qū)域電容由材料和結(jié)構(gòu)決定（圖 1 左上圖）,電容值為 C1+C2。變化電容基于寄生效應(yīng)，主要由外界導(dǎo)體與PAD 之間的寄生電容組成（圖1 右下圖），手指按下，寄生電容值變化，容值為 C1+C2+C3||C4。將此電容接入電路組成振蕩器，電容值的改變導(dǎo)致振蕩電路輸出頻率變化，通過測量輸出頻率判斷按鍵的觸發(fā)狀態(tài)。

    按鍵感應(yīng)區(qū)域設(shè)計(jì)需要避免誤觸發(fā)以及兼顧靈敏度。通常來說，單個(gè)按鍵感應(yīng)區(qū)域需要做的足夠大，以達(dá)到識別按鍵目的；相鄰按鍵感應(yīng)區(qū)域應(yīng)保持一定距離，避免誤觸發(fā)；觸摸感應(yīng)區(qū)形狀原則上可任意，單個(gè)按鍵以圓形、方形為佳。

TI 的MSP430 支持多種觸摸實(shí)現(xiàn)方式，參考文檔[1]。

1.2 紅外信號傳輸原理

    紅外遙控原理可參考文檔[2]。本文采用 NEC 協(xié)議編碼，簡單說是通過脈沖串之間的時(shí)間間隔來表示邏輯“0”和邏輯“1”。載波信號頻率為38k，邏輯“1”用 0.56ms 的 38k 載波和 1.5ms的無載波表示，邏輯“0”用0.56ms 的載波和0.56ms 的無載波表示，幀頭用9ms 載波加4.5ms無載波表示。編碼幀格式參考圖2，具體格式定義可根據(jù)實(shí)際情況稍作修改。

圖 2    紅外編碼數(shù)據(jù)幀格式

     TI 的 MSP430 系列 MCU 自帶 Timer，可方便產(chǎn)生 38k 載波，編碼時(shí)的載波有無控制可由Timer 的 PWM 輸出模塊實(shí)現(xiàn)[3]。其 PWM 輸出模塊可配置成 7 種輸出方式，可方便實(shí)現(xiàn)上述編碼。采用MSP430 的Timer 的PWM 輸出功能，僅需要一個(gè)Timer 和一路PWM 即可輕松實(shí)現(xiàn)紅外編碼，無需額外硬件，軟件實(shí)現(xiàn)簡單。為系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省成本和開發(fā)時(shí)間。

1.3 可充電觸屏遙控模塊方案設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)的遙控模塊采用機(jī)械按鍵實(shí)現(xiàn)，本方案采用觸摸按鍵設(shè)計(jì)，按鍵和顯示在同一塊LCD 屏上，外形時(shí)尚、美觀。本方案作為參考設(shè)計(jì)，除了遙控器基本功能（按鍵，顯示，發(fā)射，按鍵聲）外，還設(shè)計(jì)了充電和 USB 模塊，并擴(kuò)展了 RF 和 NFC 接口?？沙潆姺绞教岣吡遂`活性，用戶僅需要充電而不必更換電池。USB 模塊可實(shí)現(xiàn)和 PC 端應(yīng)用軟件通信。本方案不僅僅是遙控器方案，在其他應(yīng)用領(lǐng)域，本方案也有很大的參考價(jià)值，用戶僅需要根據(jù)需求對本方案功能模塊進(jìn)行裁剪即可。本方案電源模塊支持電池供電和USB 或直流適配器充/供電；觸摸按鍵采用比較器B實(shí)現(xiàn)；RF 和NFC 模塊采用SPI 和MCU 接口；MSP430 自帶的USB 模塊可方便與PC 端應(yīng)用軟件接口，實(shí)現(xiàn)PC 和MCU 的雙向通信。系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖 3    系統(tǒng)框圖

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 電源模塊設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)采用電池供電，且設(shè)計(jì)了充電電路，支持 USB 或直流充電。電源經(jīng) LDO 穩(wěn)壓后輸出3.3V 供給MCU，保證MCU 工作電壓的穩(wěn)定。其電路實(shí)現(xiàn)如下圖4 所示。

圖 4    電源模塊電路設(shè)計(jì)

2.1.2 LCD 及背光模塊設(shè)計(jì)

    MSP430F6638 自帶 LCD 控制器，可方便地驅(qū)動(dòng)段式 LCD 屏。屏幕背光亮度由 Timer 輸出PWM 波控制，調(diào)節(jié)方便。背光電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。通過改變PWM 的頻率和占空比，可改變背光亮度，從而改變LCD 屏視覺效果。

圖 5    背光電路設(shè)計(jì)

2.1.3 觸摸按鍵設(shè)計(jì)

    MSP430F6638 自帶比較器 B，最多可支持 12 個(gè)觸摸按鍵，比較器 B 的輸出接入 Timer 的CLK 輸入端，當(dāng)手指按下，觸摸感應(yīng)區(qū)電容值發(fā)生了變化，比較器翻轉(zhuǎn)周期變長，比較器輸出作為 Timer 的計(jì)數(shù)脈沖，在固定的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值變小，根據(jù)固定時(shí)間內(nèi) Timer 計(jì)數(shù)值的變化來判斷按鍵動(dòng)作。通過合適配置寄存器和軟件算法處理，可實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵檢測。電路設(shè)計(jì)如圖 6 所示。注意為了降低噪聲，每通道外接電阻不宜過小，可選500k 左右。比較器B 翻轉(zhuǎn)電平通過配置寄存器實(shí)現(xiàn)，請參考手冊[3]。

圖 6     觸摸按鍵電路設(shè)計(jì)

2.1.4 紅外發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

    紅外模塊采用普通紅外管實(shí)現(xiàn)，通過配置 Timer 輸出合適的 PWM 波實(shí)現(xiàn)紅外編碼。紅外發(fā)射瞬間電流較大，通過MCU 的GPIO 控制三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射燈管，提高發(fā)射電流。紅外發(fā)射模塊需配合接收模塊采用同樣的編碼格式實(shí)現(xiàn)通信。紅外模塊電路圖如圖7 所示。

圖 7    紅外發(fā)射模塊

2.1.5 USB 模塊設(shè)計(jì)

    MSP430F6638 自帶 USB 模塊，可實(shí)現(xiàn) USB 通信，其硬件設(shè)計(jì)簡單。本文用 USB 虛擬

    UART 實(shí)現(xiàn)和PC 通信。關(guān)于USB 調(diào)試請參考TI 官網(wǎng)資料[4]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件流程如圖 8 所示。無按鍵動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行 RTC，顯示當(dāng)前時(shí)間，溫度且把時(shí)間，溫度以及按鍵狀態(tài)（每個(gè)按鍵動(dòng)作有無）信息發(fā)送給 PC。當(dāng)有按鍵按下后，除了上述功能外，系統(tǒng)還將執(zhí)行按鍵上層邏輯，比如是否進(jìn)入時(shí)間設(shè)定模式，是否開蜂鳴器以及發(fā)射哪種紅外碼等等。

圖 8    軟件流程圖

2.2.2 PC 端軟件設(shè)計(jì)

    為了方便實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使用 C Sharp 語言開發(fā)了配套的 PC 端軟件實(shí)現(xiàn)和 MCU 的雙向通信。通過 PC 端軟件可查看 DEMO 的當(dāng)前狀態(tài)，包括時(shí)間，溫度，按鍵動(dòng)作等，另外也可通過PC 端改變DEMO 背光的亮度。PC 端軟件如圖9 所示。

圖 9    PC 端軟件

    DEMO 通過 USB 線與 PC 端 COM 口連接，MSP430F6638 的 USB 通過軟件協(xié)議虛擬UART，在 PC 端選擇合適的 COM 端口號可實(shí)現(xiàn) PC 軟件和 DEMO 的互連。圖 9 中左圖反映DEMO 的實(shí)物，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，對應(yīng)的按鍵圖標(biāo)閃爍一下，同時(shí)在記錄框輸出文字記錄這個(gè)動(dòng)作(Button xx Pressed!)。最下面圖表則實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度信息。

2.3 DEMO 展示

    DEMO 實(shí)物如圖 10 所示。鍵盤區(qū) 12 個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵按下圖標(biāo)會閃爍一下，同時(shí)蜂鳴器會響 0.3s 左右。每個(gè)按鍵做了不同功能，可根據(jù)需求發(fā)射不同的紅外碼實(shí)現(xiàn)遙控器的功能。演示DEMO 中代碼支持RTC 和溫度計(jì)功能，支持靈活調(diào)整時(shí)間，同時(shí)可通過PC 端軟件來調(diào)節(jié)屏幕背光。DEMO 還可擴(kuò)展光傳感模塊，可根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)弱智能調(diào)節(jié)背光亮度，達(dá)到較好的視覺效果。

    該 DEMO 具有通用性，在所有需要顯示和人機(jī)交互的微控制系統(tǒng)中均可參考此方案，只需對FW 做簡單修改即可實(shí)現(xiàn)所需功能。同樣，MSP430 系列眾多的產(chǎn)品線為客戶提供了不同成本的多種選擇?？蛻艨筛鶕?jù)具體需求選擇合適的MCU 和合適的代碼模塊組合，以實(shí)現(xiàn)最高的性價(jià)比。

圖 10    DEMO 實(shí)物       

3 總結(jié)

    本方案使用MSP430F6638 作為主處理器，展示了用其實(shí)現(xiàn)觸屏遙控器的電子模塊設(shè)計(jì)實(shí)例。在遙控器，無線設(shè)備以及其它需要按鍵和顯示的應(yīng)用場合均可參考本方案。MSP430 豐富的產(chǎn)品線也為前述應(yīng)用場合提供了豐富的選擇，客戶可根據(jù)具體需求選擇合適的產(chǎn)品，達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比。

參考文檔 

1.  Capacitive Touch Library (SLAA490)

2.  MSP430F415 在LCD 空調(diào)紅外遙控器中的應(yīng)用  (ZHCA425)

3.  MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User's Guide  (SLAU208M)

4.  Starting a USB Design Using MSP430™ MCU