MM32F0160+SC12B Touch Application Evaluation

文章目录

MM32F0160+SC12B Touch Application Evaluation
- Introduction & Requirement
- Hardware
- - SC12B & SC12B Sample Demo board
  - Mini-F0160 board
- Software
- - MCU Software - MM32F0160
  - PC Tool - FreeMASTER
- Summary

Introduction & Requirement

最近从产品经理收到一个需求，需要评估一家第三方的Touch芯片，考虑整合到我司（MCU原厂）提供给客户的技术方案中。从系统工程的角度上看，对Touch方案的评估，主要是基于我司MCU使用Touch芯片的可用性/易用性，以及Touch芯片对触摸感应的可靠性进行评估。关于易用性，有一些主观的因素，但总之从逻辑上走得通，软硬件开发方便即可。至于Touch的可靠性，也有一套组合拳，包含各种测试条件的用例都招呼上，看看Touch系统的反应如何，打分即可。当然，最终考验，还是要通过IEC 61000-4-6 电流注入测试，方可入选。

Hardware

首先要把搭载Touch芯片的电路板同我司的F0160开发板连起来，然后通过F0160微控制器读取Touch的采样值，把采样值通过串口、小LCD屏幕或者FreeMASTER等工具读出来数据即可。合作方提供的Touch电路板是裸铜感应电极，考虑到后续要做过水、过油等实验，还需要准备一块亚克力面板盖到电极上。

SC12B & SC12B Sample Demo board

合作方提供的Touch芯片，SC12B，来自于厦门晶尊微电子科技有限公司（简称：ICman）成立于2002年 - http://www.icman.cn/

官网对SC12B的介绍是：SC12B是带自校正的容性触摸感应器，可以检测 12 个感应盘是否被触摸。它可以通过任何非导电介质（如玻璃和塑料）来感应电容变化。这种电容感应的开关可以应用在很多电子产品上，提高产品的附加值。

手册中提供了SC12B的应用电路，如图x所示。
在这里插入图片描述

图x SC12B应用电路

功能特性	解析
12 个完全独立的触摸感应按键	最多支持12个通道，其中CH4可以单独配置感应阈值，可作为接近感应。其余通道使用共享的感应阈值。这就意味着，12个（或11个）通道的触摸板必须大体相同（或者不用）。
保持自动校正，无需外部干预	Touch芯片内部有一个小单片机，实现自动跟随阈值的算法，抑制环境变化对检测按键的影响。
按键输出经过完全消抖处理	Touch芯片内部有一个小单片机，实现按键检测、消抖的算法。
多接口 – I2C 串行接口 / BCD 码输出	BCD码的输出非常方便，用并口读就好，但功能比较少，不能调整配置，只能输出单按键。实际使用还是得用I2C，如果硬件I2C不好用，软件模拟也行。
多种灵敏度调节方式 – 共用灵敏度电容/寄存器配置	需要I2C配置内部寄存器才行。参见寄存器SenSet0和SenSetCOM。
空闲状态可以节省功耗	需要I2C配置内部寄存器才行。参见寄存器CTRL0。
2.5V ~ 6.0V 工作电压	能用3.3V和5V就好。
符合 RoHS 指令的环保 SSOP-24(0.635)封装	SSOP-24的封装，焊接方便。

虽然BCD码简单方便，但考虑需要更充分地评估芯片功能：调整灵敏度和时间参数、查看多按键情况、查看原始感应值，最终还是选择使用I2C通信方式连通。

通过阅读手册，提取关于I2C从机设备的关键信息。

SC12B的I2C从机设备地址，在当前的评估板上为0x40（ASEL引脚悬空）。如图x所示。
在这里插入图片描述

图x SC12B的I2C从机地址

SCB12B内部的功能寄存器简明扼要。如图x所示。
在这里插入图片描述

图x SC12B内部的寄存器

看下功耗情况。手册中有表格描述，如图x所示。
在这里插入图片描述

图x SC12B的功耗情况

3.3V供电，在休眠模式下能做到20uA，也算是中规中矩了。作为比较，之前做过的案子，电池供电的门锁触摸面板，要求睁着一只眼睛休眠（可唤醒）的待机平均电流在20uA以下。

Mini-F0160 board

Mini-F0160电路板上的I2C总线上已经挂了一个24C02，再挂上SC12B也没有问题。Mini-F0160电路板上给I2C总线搭了上拉电阻4.7k，SC12B Demo电路板上也有上拉电阻10k，这么并联之后大约到3k。可能上拉的电路大一点，先试着用吧。

F0160微控制器同SC12B的信号连线如表x所示。

表x F0160微控制器同SC12B的信号连线

SC12B pin	Signal	F0160 pin
SDA	SDA	PB11(AF15), GPIO
SCL	SCL	PB10(AF15), GPIO
INT	INT	PB1(AF15), GPIO
GND	GND	GND
VDD	3.3v	VDD

注意，在实验过程中发现，Mini-F0160电路板上的Arduino插座上的I2C接口，同开发板专门引出的I2C插座不是一组信号，同开发板自带24C02芯片使用的I2C接口也不是一组信号。晕，这着实让我折腾了一番。最后，还是选定同板载24C02芯片相同的一组I2C引脚，可以直接用MindSDK样例工程中的引脚配置，改工程也省事。

最终连线实物图如图x所示。

在这里插入图片描述

图x Mini-F0160电路板与SC12B Demo电路板的连接

Software

在本案中，需要软件实现的功能相对简单（需求）：

通过I2C总线，配置SC12B的不同工作模式，试用各模式下的功能。
读SC12B校准、滤波、判定算法之后的
判决值，尤其是多点触控下的计算结果。这是SC12B中手册没写的，需要自己验证。
读SC12B对电极的原始采样值，看一下原始原始采样信号，进一步评估内部算法实现的鲁棒性。
MCU对SC12B的计算结果进行采样，使用FreeMASTER工具在PC机上显示出来，录制数据并可视化。

MCU Software - MM32F0160

F0160的软件，使用MindSDK中的mini-f0160_softi2c_scan_mdk工程作为基础，先不改任何代码，试着扫描一下I2C总线，看能不能找到SC12B设备。这里使用的是MindSDK中的softi2c组件，软件模拟I2C协议（吐槽一下我司的硬件I2C外设）。

在这里插入图片描述

图x MindSDK softi2c工程扫描I2C总线

从图x显示的log中可以看到，当前I2C总线上已经可以识别SC12B的从机地址0x40了。同时扫描出来的0x50是同在I2C总线上的24C02存储芯片的从机设备地址。

根据SC12B手册的说明，在F0160的软件工程中，把OUTPUT0和OUTPUT1寄存器中的数据（表示多个按键同时按下的判决状态）读出来，存入全局变量，供后续FreeMASTER对数据进行可视化时使用。

在main.c文件中编写应用程序框架如下：

int main(void)
{
    BOARD_Init();
    printf("touch app.\r\n");

    /* setup softi2c. */
    softi2c_init(&app_softi2c_obj, (softi2c_if_t*)&brd_softi2c_if, BOARD_SOFTI2C_BPS_DELAY, BOARD_SOFTI2C_TIMEOUT_DELAY);

    while (1)
    {
        /* read the touch soc. */
        touch_update_flags(touch_channel_flags);
        touch_print_flags(touch_channel_flags);
    }
}

其中，touch_update_flags()函数从SC12B中读OUTPUT1和OUTPUT2寄存器，并拆分成单独通道的标记值，便于后续显示和记录采样数据。有源程序如下：

uint32_t touch_channel_flags[TOUCH_CHANNEL_NUM];
uint8_t  touch_xfer_buf[2] = {0};
void touch_update_flags(uint32_t * flags)
{
    /* read register value from touch soc. */
    touch_xfer_buf[0] = TOUCH_I2C_REG_OUTPUT1;
    softi2c_write(&app_softi2c_obj, TOUCH_I2C_DEV_ADDR, touch_xfer_buf, 1, false);
    softi2c_read(&app_softi2c_obj, TOUCH_I2C_DEV_ADDR, touch_xfer_buf, 2, true);

    /* split the flags to each. */
    uint32_t chn_idx = 0;
    while (chn_idx < 8)
    {
        if (0u == ((1u << (7u - chn_idx)) & touch_xfer_buf[0]))
        {
            flags[chn_idx] = TOUCH_CHANNEL_VAL_NO_TOUCH;
        }
        else
        {
            flags[chn_idx] = chn_idx;
        }
        chn_idx++;
    }
    while (chn_idx < TOUCH_CHANNEL_NUM)
    {
        if (0u == ((1u << (7u - (chn_idx - 8u))) & touch_xfer_buf[1]))
        {
            flags[chn_idx] = TOUCH_CHANNEL_VAL_NO_TOUCH;
        }
        else
        {
            flags[chn_idx] = chn_idx;
        }
        chn_idx++;
    }
}

这里更新的touch_channel_flags[]数组，将会是FreeMASTER可视化的数据对象。

后续可以试着调整其他功能寄存器中的配置参数，就随心所欲啦。

PC Tool - FreeMASTER

FreeMASTER可以提供一个类似示波器的界面，通过SWD端口连接到微控制器的程序中，对存放于内容中的数据（全局变量）以时间顺序记录下来存于PC上，并绘制实时曲线供开发者观察采样值的变化情况，是调试传感器类程序的绝佳工具。FreeMASTER还提供图形化的人机交互界面的功能，此处暂且不表。

配置连接。使用JLink连接电路板上的微控制器芯片，导入F0160工程符号表。

图x FreeMASTER配置通信端口

在这里插入图片描述

图x FreeMASTER配置地址映射符号表

创建FreeMASTER变量绑定到MCU的内存区。

在这里插入图片描述

图x FreeMASTER创建变量

创建示波器页面，并添加变量到示波器中。

在这里插入图片描述

图x FreeMASTER添加变量到示波器页面

运行FreeMASTER程序，Mini-F0160、JLink、FreeMASTER联调运行效果，如图x所示。

在这里插入图片描述

图x FreeMASTER运行采样Touch事件

从图中可以看到监控波形同触摸感应事件的对应关系，我用手依次单独按下12个按键，然后同时按下3个一组按键并递增。由此可以验证本案Touch方案可以支持同时检测多按键。不出意外，这肯定是基于自感式实现的Touch。

FreeMASTER软件工具自带录制数据的功能，可以将录制数据保存在txt文件中，然后通过Excel的导入数据工程整理成表格，然后可以用Python进行进一步的分析。此处就不再赘述操作过程了，跟着感觉找彩蛋即可。之前的Touch项目中，我直接搞外设模块，滤波、消抖等算法也需要自己写，用保存下来的数据流分析模式，设计对应的滤波策略。这个案子里，SC12B自带算法，现在只要能够实时观察处理结果即可。安逸。

Summary

本文通过组装电路和编写软件，创建了一个验证Touch系统可靠性的基本环境，通过FreeMASTER工具，可以直观地看到Touch系统内部对触摸感应以及判定的实际情况。接下来在验证阶段，我使用几种典型的Touch应用场景，对本案Touch系统的性能进行评测。具体地，就是引入各种日常应用Touch的环境干扰，观察Touch系统在有干扰情况下能否正常工作。

（未完待续。。。）