感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王夢(mèng)迪， 張麗蕓， 華 金， 沈洪濱

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所艦船自動(dòng)化系統(tǒng)事業(yè)部，上海200135）

0 引 言

隨著觸摸傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，感應(yīng)觸摸式人機(jī)操作板在工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)觸摸式人機(jī)操作板采用感應(yīng)觸摸式按鍵，與傳統(tǒng)的機(jī)械微動(dòng)開關(guān)按鍵和塑料薄膜按鍵相比，沒有任何機(jī)械部件，不會(huì)磨損，可靠性高，能降低后期維護(hù)成本。感應(yīng)觸摸式按鍵感應(yīng)部分可放置在感應(yīng)觸摸式人機(jī)操作板面板的后面，起到防水防潮的作用。感應(yīng)觸摸式人機(jī)操作板所有按鍵的大小和形狀可任意設(shè)計(jì)，面板外形美觀時(shí)尚，可從根本上達(dá)到機(jī)械面板、薄膜面板和金屬面板無法達(dá)到的效果。在艦船自動(dòng)化領(lǐng)域：Konsberg公司的延伸報(bào)警模塊采用電容感應(yīng)觸摸式按鍵；常熟瑞特公司的某電機(jī)集中控制系統(tǒng)應(yīng)用觸摸鍵盤。當(dāng)前中國遠(yuǎn)洋海運(yùn)集團(tuán)有限公司的集裝箱船上配置的航行燈信號(hào)燈板和甲板照明控制板均采用感應(yīng)觸摸式按鍵，提高了外觀設(shè)計(jì)的靈活性和產(chǎn)品的品質(zhì)。當(dāng)前國內(nèi)的監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板大多是由機(jī)械鍵盤、分立的應(yīng)答消聲按鈕和蜂鳴器組成的，風(fēng)格一致，整體不夠美觀，按鍵按鈕沒有背光調(diào)節(jié)功能。對(duì)此，本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)一款基于感應(yīng)觸摸式按鍵技術(shù)的監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 感應(yīng)觸摸式按鍵原理

感應(yīng)觸摸式按鍵在本質(zhì)上是PCB板上一個(gè)面積稍大的覆銅焊盤，與四周結(jié)構(gòu)組成感應(yīng)電容，當(dāng)人的手指直接或通過導(dǎo)電材料觸摸該按鍵時(shí)，感應(yīng)電容的值會(huì)發(fā)生變化，從而判斷有沒有按鍵操作。

感應(yīng)觸摸式按鍵被按下前后等效電容變化情況見圖1。當(dāng)人的手指沒有觸摸到焊盤時(shí)，PCB板上的焊盤與地面形成的感應(yīng)電容值是一個(gè)固定不變的值CB，即總感應(yīng)電容CS=CB。當(dāng)人的手指觸摸到焊盤時(shí)，手指會(huì)與該焊盤形成一個(gè)耦合電容CF，該耦合電容CF會(huì)疊加到焊盤與地面形成的感應(yīng)電容CB上，從而改變感應(yīng)電容值，即總感應(yīng)電容CS=CB+CS。當(dāng)人的手指脫離焊盤時(shí)，手指與該焊盤形成的耦合電容消失，即總感應(yīng)電容CS=CB。當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到的感應(yīng)電容值達(dá)到設(shè)定的閾值CT時(shí)，認(rèn)定操作觸摸感應(yīng)式按鍵有效，執(zhí)行相應(yīng)的指令，如點(diǎn)亮或關(guān)閉LED燈。

圖1 感應(yīng)觸摸式按鍵被按下前后等效電容變化情況

1.2 感應(yīng)觸摸式按鍵解決方案

周立功公司推出的電容感應(yīng)觸摸式按鍵方案采用外圍RC電路加軟件檢測(cè)技術(shù)，集成FIR濾波算法，利用MCU的GPIO口和內(nèi)部定時(shí)器測(cè)量按鍵外部電容的變化。該方案雖然具有良好的抗干擾能力，但占用MCU的資源過多，浪費(fèi)機(jī)器時(shí)間，對(duì)于低成本、運(yùn)算能力較弱的MCU單元而言更為明顯。ST公司推出的基于STM8系列8位通用微控制器平臺(tái)的電容式觸摸感應(yīng)方案無需增加專用觸摸芯片，也利用RC電路的充放電時(shí)間檢測(cè)人體觸摸帶來的電容變化，實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)功能，但該方案的靈活性不夠，不適于多點(diǎn)觸摸。

本文選用臺(tái)灣通泰公司的感應(yīng)觸摸式按鍵解決方案。觸摸鍵盤芯片選用TTP223Ton TouchTM（一款小封裝單點(diǎn)電容觸摸式按鍵檢測(cè)芯片，以下簡(jiǎn)稱“TTP223”）；觸摸鼠標(biāo)芯片選用TTP229Ton TouchTM（一款多點(diǎn)電容觸摸式按鍵檢測(cè)芯片，以下簡(jiǎn)稱“TTP229”）。這2款芯片無需外接其他電路，可達(dá)到穩(wěn)定的觸摸檢測(cè)效果，觸摸檢測(cè)PAD的大小可依據(jù)不同的靈敏度設(shè)計(jì)在合理的范圍內(nèi)，并提供低功耗模式，具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能[1]。

1.3 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板由觸摸鍵盤、觸摸鼠標(biāo)、監(jiān)測(cè)報(bào)警、USBHUB和背光調(diào)節(jié)電路組成（見圖2），能外接其他USB設(shè)備。監(jiān)測(cè)報(bào)警能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的報(bào)警，通過判斷開關(guān)量輸入值控制單元的狀態(tài)控制蜂鳴器輸出，系統(tǒng)報(bào)警時(shí)蜂鳴器響，消警時(shí)蜂鳴器關(guān)閉。此外，感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板還具有應(yīng)答消聲功能，并提供故障消息列表按鍵接口。

圖2 感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板組成

MCU核心芯片選用NXP公司的LPC1768微控制器，具有功耗低、功能強(qiáng)、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。LPC1768基于Cortex-M3內(nèi)核，最高頻率100 MHz，片內(nèi)集成64 KB RAM、512 KB Flash、CAN控制器、SPI控制器、I2C控制器、USB控制器和以太網(wǎng)控制器等外設(shè)資源，無需外接其他專用芯片即可滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)要求。

1.4 感應(yīng)觸摸式按鍵及背光調(diào)節(jié)

圖3為感應(yīng)觸模式按鍵及背光調(diào)節(jié)電路原理圖，TTP223僅支持單鍵有效，感應(yīng)觸摸式按鍵K1可直接與TTP223連接，無需增加其他外圍器件。TTP223的輸出模式見表1，TTP223的輸出通過AHLB引腳選擇高電平或低電平有效，通過TOG引腳選擇直接模式或觸發(fā)模式。圖3中TTP223的輸出配置為直接模式，低電平有效。OUT1直接連接到LPC1768微控制器，在沒有按鍵操作時(shí)OUT1為高電平，當(dāng)人的手指觸摸到K1時(shí)OUT1為低電平，因此LPC1768微控制器直接讀取GPIO值即可判斷按鍵是否被操作。

圖3 感應(yīng)觸摸式按鍵及背光調(diào)節(jié)電路原理圖

表1 TTP223的輸出模式

圖3中，背光調(diào)節(jié)電路利用MOS管的導(dǎo)通原理，通過電位器接口輸出可變化調(diào)光電壓Vadj，當(dāng)按鍵沒有被觸摸時(shí)，OUT1為高電平，1T1截止，1T2導(dǎo)通，GREEN燈點(diǎn)亮；當(dāng)按鍵被觸摸時(shí)，OUT1為低電平，1T1導(dǎo)通，1T2截止，RED燈點(diǎn)亮。

1.5 觸摸鼠標(biāo)

TTP229支持8鍵或16鍵，同時(shí)支持單鍵或多鍵有效，其中：8鍵為固定IO輸出模式；16鍵需采用IIC通信。為方便PCB布線和簡(jiǎn)化應(yīng)用程序，觸摸鼠標(biāo)電路（見圖4）配置為固定IO輸出模式，引腳TP8-TP15直接與LPC1768微控制器連接，S1-S4和S6-S9為感應(yīng)觸摸式按鍵。觸摸鼠標(biāo)由6×6感應(yīng)觸摸式按鍵矩陣構(gòu)成，至少需5塊TTP229芯片。LPC1768微控制器可直接讀取GPIO值，判斷感應(yīng)觸摸式按鍵是否被觸摸。操作觸摸鼠標(biāo)是一個(gè)連續(xù)的過程，LPC1768微控制器讀取到的GPIO值是連續(xù)變化的，在軟件中需對(duì)觸摸鼠標(biāo)進(jìn)行觸摸路徑分析。

圖4 觸摸鼠標(biāo)電路

1.6 USBHUB

USBHUB選擇SMSC公司專用的USB2.0高速HUB控制器USB2517芯片，實(shí)現(xiàn)USB2.0通信，向下兼容USB1.1通信，對(duì)外提供1路USB上行接口和多路USB下行接口，并對(duì)內(nèi)提供1路下行接口控制I/O輸出。采用EEPROM實(shí)現(xiàn)USBHUB的信息配置，采用專用電源控制芯片輸出USB電源，通過USBHUB實(shí)現(xiàn)其他外接USB設(shè)備與主控計(jì)算機(jī)的USB接口的信息中轉(zhuǎn)。

2 軟件設(shè)計(jì)

感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板軟件由基于時(shí)間觸發(fā)設(shè)計(jì)模式的軟件架構(gòu)編寫的調(diào)度器構(gòu)成，通過調(diào)度器實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)。調(diào)度器由不同任務(wù)之間共享的定時(shí)器中斷服務(wù)程序，在執(zhí)行多個(gè)任務(wù)時(shí)，可使用同一個(gè)調(diào)度器來完成。調(diào)度器中斷響應(yīng)函數(shù)是時(shí)間間隔為10 ms的“事件”，在調(diào)度器被任務(wù)中的“事件”觸發(fā)之后，遍歷任務(wù)塊鏈表，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行需被調(diào)度執(zhí)行的任務(wù)[2]。

根據(jù)“1.3”節(jié)中的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖，感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板的軟件主要由觸摸按鍵和觸摸鼠標(biāo)組成，觸摸鼠標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程與觸摸鍵盤基本一致，軟件設(shè)計(jì)主要參考觸摸鍵盤的實(shí)現(xiàn)過程。

2.1 感應(yīng)觸摸式按鍵的實(shí)現(xiàn)

由“1.4”節(jié)中的分析所知，LPC1768微控制器通過直接讀取感應(yīng)觸摸式按鍵的GPIO值來判斷按鍵是否被按下。感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板的部分按鍵會(huì)受到多擊操作，即同一個(gè)按鍵在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)被連續(xù)2次或多次按下。本文在多擊操作按鍵時(shí)，連續(xù)按下按鍵的有效時(shí)間間隔≤30 ms，該時(shí)間可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行更改。單個(gè)感應(yīng)觸摸式按鍵單擊或多擊的操作過程見圖5，這里多擊設(shè)定最大為四擊操作，當(dāng)超過四擊時(shí)重新從單擊開始判定，主要分為以下10個(gè)過程：

1）定時(shí)讀感應(yīng)觸摸式按鍵的GPIO值，判斷按鍵是否被按下，若被按下，則執(zhí)行過程“2）”，否則執(zhí)行過程“10）”。

2）按鍵消抖處理，判斷感應(yīng)觸摸式按鍵操作是否有效，若有效，則執(zhí)行過程“3）”，否則執(zhí)行過程“10）”。

3）判斷感應(yīng)觸摸式按鍵操作是否是長(zhǎng)按，若是長(zhǎng)按，則為單擊操作，執(zhí)行過程“8）”，否則執(zhí)行過程“4）”。

4）判斷在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)感應(yīng)觸摸式按鍵是否還有被按下的操作，若沒有，則為單擊操作，執(zhí)行過程“8）”；若有，判斷按鍵被按下操作是否有效，若無效，則為單擊操作，執(zhí)行過程“8）”，否則執(zhí)行過程“5）”。

5）在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)判斷感應(yīng)觸摸式按鍵是否還有被按下操作，若沒有，則為雙擊操作，執(zhí)行過程“8）”；若有，判斷按鍵被按下操作是否有效，若無效，則為雙擊操作，執(zhí)行過程“8）”，否則執(zhí)行過程“6）”。

6）在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)判斷感應(yīng)觸摸式按鍵是否還有被按下操作，若沒有，則為三擊操作，執(zhí)行過程“8）”；若有，判斷按鍵被按下操作是否有效，若無效，則為三擊操作，執(zhí)行過程“8）”，否則執(zhí)行過程“7）”。

圖5 感應(yīng)觸摸式按鍵單擊或多擊的操作過程

7）在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)判斷感應(yīng)觸摸式按鍵是否還有被按下操作，若沒有，則為四擊操作，執(zhí)行過程“8）”；若有，判斷按鍵被按下操作是否有效，若無效，則為四擊操作，執(zhí)行過程“8）”，否則執(zhí)行過程“4）”。

8）將讀取到的被按下感應(yīng)觸摸式按鍵的GPIO值和判定的操作狀態(tài)（單擊、雙擊、三擊和四擊）轉(zhuǎn)換為USB鍵盤相應(yīng)的鍵值，執(zhí)行過程“9）”。

9）在程序中定義USB鍵盤事件數(shù)組，將過程“8）”中轉(zhuǎn)換的鍵值與鍵盤事件數(shù)組對(duì)比，結(jié)果一致完成相應(yīng)的USB鍵盤事件，然后LPC1768微控制器向USB端點(diǎn)寫按鍵操作事件，執(zhí)行過程“10）”。

10）單個(gè)感應(yīng)觸摸式按鍵操作流程結(jié)束。

2.2 觸摸鍵盤枚舉過程

觸摸鍵盤和觸摸鼠標(biāo)都屬于USB HID類設(shè)備，USB HID是用于管理和控制大多數(shù)計(jì)算機(jī)的人工輸入設(shè)備。USB主機(jī)檢測(cè)到USB設(shè)備插入之后，需對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行枚舉，從設(shè)備中讀取各種描述符信息，主機(jī)根據(jù)這些信息加載合適的驅(qū)動(dòng)程序，從而知道設(shè)備的類別及如何進(jìn)行通信等[3]。調(diào)試USB設(shè)備最重要的是USB設(shè)備的枚舉過程，枚舉也是USB設(shè)備通信的第一步，觸摸鍵盤的枚舉過程見圖6。

1）USB主機(jī)檢測(cè)到觸摸鍵盤插入之后，先對(duì)觸摸鍵盤進(jìn)行復(fù)位，觸摸鍵盤在總線復(fù)位之后的地址為0。USB主機(jī)可向地址為0的觸摸鍵盤的端點(diǎn)0發(fā)送獲取設(shè)備描述符的請(qǐng)求，觸摸鍵盤收到該請(qǐng)求之后將設(shè)備描述符返回給USB主機(jī)。

2）USB主機(jī)再次對(duì)觸摸鍵盤進(jìn)行復(fù)位，進(jìn)入設(shè)置地址階段。USB主機(jī)向地址為0的觸摸鍵盤的端點(diǎn)0發(fā)送設(shè)置地址的請(qǐng)求，USB主機(jī)會(huì)發(fā)配唯一的地址給觸摸鍵盤。

3）USB主機(jī)從剛分配給觸摸鍵盤的新地址中再次獲取設(shè)備描述符。

4）USB主機(jī)獲取配置描述符集合。配置描述符集合包括配置描述符、接口描述符和端點(diǎn)描述符等。接口描述符和端點(diǎn)描述符都不能單獨(dú)獲取，必須與配置描述符一起以集合的方式返回。

5）枚舉過程結(jié)束，觸摸鍵盤正常工作。

在USB規(guī)范中，除了規(guī)定必要的設(shè)備、配置、接口、端口和字符串描述符之外，USB HID還定義有報(bào)告描述符。報(bào)告描述符用來描述報(bào)告的結(jié)構(gòu)及報(bào)告中數(shù)據(jù)的作用。USB主機(jī)可通過報(bào)告描述符分析出報(bào)告中數(shù)據(jù)的意義。USB HID設(shè)備是通過報(bào)告?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)的，報(bào)告有輸入報(bào)告和輸出報(bào)告。輸入報(bào)告是USB設(shè)備發(fā)送給主機(jī)的，如：USB鼠標(biāo)將鼠標(biāo)移動(dòng)和鼠標(biāo)點(diǎn)擊等信息返回給計(jì)算機(jī)；鍵盤將按鍵數(shù)據(jù)返回給計(jì)算機(jī)等。輸出報(bào)告是主機(jī)發(fā)送給USB設(shè)備的，如鍵盤上的數(shù)字鍵盤鎖定燈和大寫字母鎖定燈的控制等。以觸摸鍵盤的報(bào)告描述符為例，利用HID Descriptor Tool工具幫助建立和編寫觸摸鍵盤的報(bào)告描述符。

const uint8_t HID_ReportDescriptor[]=｛

HID_UsagePage（HID_USAGE_PAGE_GENERIC），//用途頁選擇為普通桌面頁

HID_Usage（HID_USAGE_GENERIC_KEYBOARD），//集合用途用于鍵盤

HID_Collection（HID_Application），//應(yīng)用集合

HID_UsagePage（HID_USAGE_PAGE_KEYBOARD），//選擇用途頁為鍵盤

HID_Usage Min（HID_USAGE_KEYBOARD_LCTRL），//最小的用途值，實(shí)際是鍵盤左CTRL鍵

HID_Usage Max（HID_USAGE_KEYBOARD_RGUI），//最大的用途值，實(shí)際是鍵盤右GUI鍵

HID_Logical Min（0），//數(shù)據(jù)的邏輯值，最小為0

HID_Logical Max（1），//數(shù)據(jù)的邏輯值，最大為1

HID_ReportSize（1），//數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度為1個(gè)位

HID_ReportCount（8）， //數(shù)據(jù)域的數(shù)量為8個(gè)

HID_Input（HID_Data|HID_Variable|HID_Absolute），//作為輸入，屬性為：Data，Var，Abs

HID_ReportCount（1），//數(shù)據(jù)域數(shù)量為1個(gè)

HID_ReportSize（8），//數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度為8位

圖6 觸摸鍵盤的枚舉過程

HID_Input（HID_Constant），//作為輸入，屬性為：Constant

HID_ReportCount（3）， //數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度為3位

HID_ReportSize（1），//數(shù)據(jù)域數(shù)量為1個(gè)

HID_UsagePage（HID_USAGE_PAGE_LED），//用途頁為指示燈

HID_Usage Min（1），//用途最小值為數(shù)字鍵盤燈

HID_Usage Max（3），//用途最大值為滾動(dòng)鎖定鍵燈

HID_Output（HID_Data|HID_Variable|HID_Absolute），//作為輸出，屬性為：Data，Var，Abs HID_ReportCount（1），//數(shù)據(jù)域數(shù)量為1個(gè)

HID_ReportSize（5），//數(shù)據(jù)域的數(shù)量為5個(gè)

HID_Output（HID_Constant），//作為輸出，屬性為：Constant

HID_EndCollection，//關(guān)閉集合

｝；

在觸摸鍵盤的固件程序中，數(shù)據(jù)的輸入和輸出只有滿足上述報(bào)告描述符的格式要求才能完成。利用USB監(jiān)控軟件BUS Hound得到觸摸鍵盤的枚舉過程和數(shù)據(jù)傳輸過程見圖7。

圖7 觸摸鍵盤的枚舉過程和數(shù)據(jù)傳輸過程抓包

3 試制結(jié)果分析

感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板除了包含硬件電路以外，還包含操作面板、導(dǎo)光板和殼體。操作面板選用玻璃材料，面板表面噴涂油漆。導(dǎo)光板緊貼在感應(yīng)觸摸式按鍵焊盤上，由散光膜、光學(xué)級(jí)亞克力基板、圍邊遮光膜和反射膜組成。導(dǎo)光板利用光學(xué)級(jí)亞克力基板吸取從LED經(jīng)反射膜發(fā)出的光并在光學(xué)級(jí)亞克力基板表面停留的原理，使光線射到各導(dǎo)光點(diǎn)時(shí)反射光擴(kuò)散到圍邊遮光膜內(nèi)破壞反射條件，從正面射出。反射光可通過疏密程度不一、大小不一的導(dǎo)光點(diǎn)，使導(dǎo)光板均勻發(fā)光。導(dǎo)光板必須緊貼在操作面板上，因此按鍵焊盤、導(dǎo)光板和操作面板之間不能有空隙，否則會(huì)降低按鍵的靈敏度。

感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板實(shí)物圖見圖8。經(jīng)試驗(yàn)，通過2 000次感應(yīng)觸摸式按鍵操作，觸摸鍵盤效果良好，觸摸信號(hào)輸出具有良好的重復(fù)性，能實(shí)現(xiàn)單擊、雙擊、三擊和四擊功能。觸摸鼠標(biāo)能實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的基本功能，能判斷單擊、雙擊和平移等基本的觸摸手勢(shì)。感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板具有USBHUB功能，正面可接U盤、打印機(jī)等USB設(shè)備。

圖8 感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板實(shí)物圖

4 結(jié) 語

感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板利用觸摸按鍵技術(shù)克服傳統(tǒng)操作板容易磨損、外形單一的缺陷，實(shí)現(xiàn)觸摸鍵盤、觸摸鼠標(biāo)、USBHUB、監(jiān)測(cè)報(bào)警和背光調(diào)節(jié)功能的有效集成。運(yùn)行結(jié)果表明，該感應(yīng)觸摸式監(jiān)測(cè)報(bào)警人機(jī)操作板性能穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品外觀靈活、品質(zhì)較優(yōu)，可成功應(yīng)用在相關(guān)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中。