可充电触屏遥控模块设计

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摘要
          本文介绍了使用MSP430作为主处理器实现可充电的触屏遥控模块，该设计方案支持红外（IR）信号传输，且可扩展RF和NFC无线传输方式；用户输入采用触摸按键实现，设计简洁美观；系统可由电池供电，且自带可充电模块，可由USB或者直流电源适配器充电。TI的430系列MCU产品功耗低，可为便携式电子设备提供更长的使用寿命；其内嵌LCD驱动器，可以方便实时显示监测数据；其支持多种触摸按键实现方式，设计简便灵活。
           
          简介
          遥控设备在日常生活中非常易见，家电遥控器、玩具遥控器等方便了用户对设备的控制。针对不同需求，遥控设备设计也不同，例如电视机遥控器不带显示屏，通常用红外信号传输；空调遥控器则带显示屏，常用红外（IR）和射频（RF）传输信号；另有一些高端遥控产品可通过手机等更新固件，实现版本的升级。本文介绍了一套用于遥控设备的通用方案，该方案支持LCD显示；  支持红外通信且可扩展射频通信方式；用户输入采用触摸按键实现，时尚美观；本方案预留NFC接口，可扩展NFC功能；在电源管理方面，支持电池供电，USB充电和无线充电，方便实用。
           
          1 原理介绍
          1.1 电容式触摸按键原理
          触摸按键在电子设备中得到越来越多的应用。用触摸按键实现人机交互的电磁炉，微波炉，电冰箱等家电产品越来越受青睐，预计未来会有越来越多的触摸按键产品取代传统的机械式按键产品。触摸按键具有坚固耐用，反应速度快，节省空间，美观大方，易于清洁等诸多优点。触摸式按键可分为四大类，电阻式，电容式，红外线式及表面声波式感应按键。其中电阻式，红外线式和表面声波按键主要应用于触摸屏中，在单个按键中很少使用。本方案将重点讨论电容式触摸按键在单个按键中的应用。
         
        电容式触摸按键采用电容量为判断标准，在触摸按键的设计中，它具有一些优点，例如可直接集成在PCB中，触摸感应区域外形尺寸设计灵活，相对成本较低等等。简单来讲，电容式触摸按键在按下的时候改变了电容值，从而改变电路振荡周期，通过对振荡周期改变值的检测实现对按键的检测。图1 是电容式触摸按键原理示意图。
           

       

        图1    触摸按键原理示意图

         

          空载状态下，感应区域电容由材料和结构决定（图1左上图）,电容值为C1+C2。变化电容基于寄生效应，主要由外界导体与PAD之间的寄生电容组成（图1右下图），手指按下，寄生电容值变化，容值为C1+C2+C3||C4。将此电容接入电路组成振荡器，电容值的改变导致振荡电路输出频率变化，通过测量输出频率判断按键的触发状态。
         
        按键感应区域设计需要避免误触发以及兼顾灵敏度。通常来说，单个按键感应区域需要做的足够大，以达到识别按键目的；相邻按键感应区域应保持一定距离，避免误触发；触摸感应区形状原则上可任意，单个按键以圆形、方形为佳。
         
        TI的MSP430支持多种触摸实现方式，参考文档[1]。
         
        1.2 红外信号传输原理
          红外遥控原理可参考文档[2]。本文采用 NEC 协议编码，简单说是通过脉冲串之间的时间间隔来表示逻辑“0”和逻辑“1”。载波信号频率为38k，逻辑“1”用0.56ms的38k载波和1.5ms的无载波表示，逻辑“0”用0.56ms的载波和0.56ms的无载波表示，帧头用9ms载波加4.5ms无载波表示。编码帧格式参考图2，具体格式定义可根据实际情况稍作修改。
           

       

        图2    红外编码数据帧格式

         

          TI的MSP430系列MCU自带Timer，可方便产生38k载波，编码时的载波有无控制可由Timer的PWM输出模块实现[3]。其PWM输出模块可配置成7种输出方式，可方便实现上述编码。采用MSP430的Timer的PWM输出功能，仅需要一个Timer和一路PWM即可轻松实现红外编码，无需额外硬件，软件实现简单。为系统设计节省成本和开发时间。
         
        1.3 可充电触屏遥控模块方案设计
          传统的遥控模块采用机械按键实现，本方案采用触摸按键设计，按键和显示在同一块LCD屏上，外形时尚、美观。本方案作为参考设计，除了遥控器基本功能（按键，显示，发射，按键声）外，还设计了充电和USB模块，并扩展了RF和NFC接口。可充电方式提高了灵活性，用户仅需要充电而不必更换电池。USB模块可实现和PC端应用软件通信。本方案不仅仅是遥控器方案，在其他应用领域，本方案也有很大的参考价值，用户仅需要根据需求对本方案功能模块进行裁剪即可。本方案电源模块支持电池供电和USB或直流适配器充/供电；触摸按键采用比较器B实现；RF和NFC模块采用SPI和MCU接口；MSP430自带的USB模块可方便与PC端应用软件接口，实现PC和MCU的双向通信。系统框图如图3所示。
           

       

        图3    系统框图

         

         
          2 设计实例
          2.1 硬件设计
          2.1.1 电源模块设计
          本系统采用电池供电，且设计了充电电路，支持USB或直流充电。电源经LDO稳压后输出3.3V供给MCU，保证MCU 工作电压的稳定。其电路实现如下图4所示。
           

       

        图4    电源模块电路设计

         

          2.1.2 LCD 及背光模块设计
          MSP430F6638自带LCD控制器，可方便地驱动段式LCD屏。屏幕背光亮度由Timer输出PWM波控制，调节方便。背光电路设计如图5所示。通过改变PWM的频率和占空比，可改变背光亮度，从而改变LCD屏视觉效果。
           

       

        图5    背光电路设计

         

          2.1.3 触摸按键设计
          MSP430F6638自带比较器B，最多可支持12个触摸按键，比较器B的输出接入Timer的CLK输入端，当手指按下，触摸感应区电容值发生了变化，比较器翻转周期变长，比较器输出作为Timer的计数脉冲，在固定的时间内计数值变小，根据固定时间内Timer计数值的变化来判断按键动作。通过合适配置寄存器和软件算法处理，可实现触摸按键检测。电路设计如图6所示。注意为了降低噪声，每通道外接电阻不宜过小，可选500k左右。比较器B翻转电平通过配置寄存器实现，请参考手册[3]。
           

       

        图6     触摸按键电路设计

         

          2.1.4 红外发射模块设计
          红外模块采用普通红外管实现，通过配置Timer输出合适的PWM波实现红外编码。红外发射瞬间电流较大，通过MCU的GPIO控制三极管驱动红外发射灯管，提高发射电流。红外发射模块需配合接收模块采用同样的编码格式实现通信。红外模块电路图如图7所示。
           

       

        图7    红外发射模块

         

          2.1.5 USB模块设计
          MSP430F6638自带USB模块，可实现USB通信，其硬件设计简单。本文用USB虚拟UART实现和PC通信。关于USB调试请参考TI官网资料[4]。
         
        2.2 软件设计
          2.2.1 嵌入式软件设计
          系统软件流程如图8所示。无按键动作时，系统运行RTC，显示当前时间，温度且把时间，温度以及按键状态（每个按键动作有无）信息发送给PC。当有按键按下后，除了上述功能外，系统还将执行按键上层逻辑，比如是否进入时间设定模式，是否开蜂鸣器以及发射哪种红外码等等。
           

       

        图8    软件流程图

         

         
          2.2.2 PC 端软件设计
          为了方便实现人机交互，使用C Sharp语言开发了配套的PC端软件实现和MCU的双向通信。通过PC端软件可查看 DEMO的当前状态，包括时间，温度，按键动作等，另外也可通过PC端改变DEMO背光的亮度。PC端软件如图9所示。
           

       

        图9    PC 端软件

         

          DEMO通过USB线与PC端COM口连接，MSP430F6638的USB通过软件协议虚拟UART，在PC端选择合适的COM端口号可实现PC软件和DEMO的互连。图9中左图反映DEMO的实物，当有按键按下的时候，对应的按键图标闪烁一下，同时在记录框输出文字记录这个动作(Button xx Pressed!)。最下面图表则实时显示当前温度信息。
         
        2.3 DEMO 展示
          DEMO实物如图10所示。键盘区12个按键，每个按键按下图标会闪烁一下，同时蜂鸣器会响0.3s左右。每个按键做了不同功能，可根据需求发射不同的红外码实现遥控器的功能。演示DEMO中代码支持RTC和温度计功能，支持灵活调整时间，同时可通过PC端软件来调节屏幕背光。DEMO还可扩展光传感模块，可根据环境光强弱智能调节背光亮度，达到较好的视觉效果。
         
        该DEMO具有通用性，在所有需要显示和人机交互的微控制系统中均可参考此方案，只需对FW做简单修改即可实现所需功能。同样，MSP430系列众多的产品线为客户提供了不同成本的多种选择。客户可根据具体需求选择合适的MCU 和合适的代码模块组合，以实现最高的性价比。
           

       

        图10    DEMO 实物      

         

          3 总结
          本方案使用MSP430F6638作为主处理器，展示了用其实现触屏遥控器的电子模块设计实例。在遥控器，无线设备以及其它需要按键和显示的应用场合均可参考本方案。MSP430丰富的产品线也为前述应用场合提供了丰富的选择，客户可根据具体需求选择合适的产品，达到最优性价比。
         
        参考文档
          1.  Capacitive Touch Library(SLAA490)
        2.  MSP430F415在LCD空调红外遥控器中的应用(ZHCA425)
        3.  MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User's Guide(SLAU208M)
        4.  Starting a USB Design Using MSP430 MCU