לחץ פיסי מתון

מאת: Yan Vainter, Freescale Israel

בעזרת השימוש בבקרי חישנים ובקרת מגע בקרבה, דוגמת אלה המספקת חברת פריסקייל, יכולים כיום מתכנני מוצרים לשלב לחצני מגע בכל מקום כמעט: ממושבי מטוס, מכונות קפה, דרך שעונים ומחזיקי מפתחות ועד לאוזניות בלוטות’ ומצלמות רשת מותר לגעת, אסור ללחוץ לחצנים קיימים בכל מקום. המחשב הנייד מכוסה בלחצנים. כך גם הטלפון, המכונית והשלט–רחוק של הטלוויזיה. רבים מאתנו משקיעים חלק נכבד משעות העבודה בלחיצה על לחצנים. אם אינך דופק בטירוף על מקלדת המחשב שלך, הרי שאתה לוחץ על לחצנים בעכבר שלך על מנת ללחוץ על הדמיות של לחצנים במסך. בעצם התחלנו להשתמש בלחצנים שאינם באמת לחצנים, ובכך גלום אחד היתרונות הגדולים שביצירת לחצנים באמצעות חיישני מגע בקרבה. זהו זה… שאין חלקים נעים בחיישני מגע בקרבה אין על מה ללחוץ, פשוטו כמשמעו. אלו הם “מתגי נגיעה” ולא “מתגי לחיצה” (לחצנים). בחיישני מגע בקרבה בכלל אין חלקים נעים. אין קפיצים, אין נקישות ואין חלקים עליונים שחוזרים למקומם. מעבר לכך, אפשר לשלב אותם בכל מקום צפוף. דבר לא בולט מהמארז, ולכן המפתחים יכולים להתקין אותם בקו ישר עם קווי המתאר החיצוניים של המארזים המתוכננים שלהם. בקרת מגע בקרבה יכולה להיות חלופה מעניינת, במיוחד לממשקים קטנים או פשוטים שנדרש להם לחצן אחד או שניים. אפשר לשלב אותם בקלות בתכנון המוצר הסופי עם טרחה מזערית והם יכולים לספק יתרונות ארוכי טווח בתחומים של צריכת ההספק ואורך חיי המוצר. עם זאת, לפני שנציג כמה יישומים כאלו, נדון בסגולות הטכניות של סוג החיישן שיכול לאפשר את סוגי היתרונות האלה – הבקרים הזעירים מאוד של חברת Freescale המיועדים לשימוש עם חיישני מגע קיבוליים בקרבה, MPR03x (MPR031 ו–MPR032). בקרת מגע קוראת למייג’ור טום הטכנולוגיה שבעבר כונתה במקרים רבים בשם “הטכנולוגיה של עידן החלל”, אותם המוצרים והיישומים שנחשבו פעם כאלו שהגיעו “מהחלל החיצון”, קיימים כיום בכל פינה בבתים, במשרדים, במכוניות ואפילו בבתי הקפה. מעבר לכך, דור חדש של מוצרים מציע פונקציונליות רבה עוד יותר, תוך כדי הקטנת הממדים והרחבת הפשטות. הבקרים של חיישני המגע הקיבוליים בקרבה מתוכננים לספק ממשק אדם–מכונה למוצרים כאלה. מבט מקרוב על חיישני MPR03x התקני MPR03x מותאמים באופטימיזציה לניהול שתי אלקטרודות עם פונקציונליות של פסיקה (IRQ) או לניהול שלוש אלקטרודות עם IRQ מושבת. שימוש כזה יכול להתאים לטווח רחב של מימושים בשל הרגישות המוגברת ובגלל קבוצה מתמחה של תכונות. מפרט *מתח ההפעלה האופייני הוא 1.8 וולט כאשר זרם האספקה הממוצע במצב פעולה תלוי במשך זמן הדגימה. לדוגמה, זרם האספקה האופייני הממוצע במצב פעולה ומשך זמן הדגימה של 8 מילי–שניות יהיה הנמוך ביותר – 8 מיקרו–אמפר. במשך זמן דגימה של 64 מילי–שנייה הזרם האופייני יהיה 4 מיקרו–אמפר. זרמים נמוכים אלו מאפשרים חיי סוללה ארוכים אפילו לסוללות המטבע הקטנות ביותר. *הגודל הזעיר מאוד שלהם, 2 x 2 x 0.65 מ”מ, נתון במארזי 8 פינים שטוחים ללא מוליכים (DFN), מעניק למתכננים גמישות רבה בתכנון מעגלים ומאפשר תכנון יישומים קומפקטיים ביותר, עם מגבלות מקום מיוחדות כמו מחזיקי מפתחות ושעוני יד. *לבקרים של חיישני המגע הקיבוליים בקרבה MPR03x נדרש רק רכיב פסיבי חיצוני אחד, נגד של 75 קילו–אוהם מפין REXT להארקה. חיבורים: *חיישני MPR03x מנהלים עד שלוש אלקטרודות של משטח נגיעה (touch pad) עם אפשרות ליציאת פסיקה שקיימת על מנת להודיע למחשב המארח על שינויים במצב האלקטרודה. היא מרובבת עם יציאת האלקטרודה השלישית, כך שהשימוש ביציאת הפסיקה מקטין את מספר הכניסות לאלקטרודות לשתיים. חיישני MPR03x כוללים גם שלוש רמות של סינון אות הכניסה, כדי לגלות שינויים במצב כניסת משטח הנגיעה, הנובעים ממגע, ללא עיבוד ביישום. *כל חיישן MPR03x פועל כנשלט (slave) השולח ומקבל נתונים דרך ממשק I2C בקצב נתונים של עד 400 קילו–סיביות בשנייה. קווי נתונים (SDA) ואותות שעון (SCL) טוריים משמשים בממשק לתקשורות דו כיוונית בין שולטים (master) ונשלטים. שולט (בדרך כלל בקר מיקרו) יוזם את כל העברות הנתונים אל ומאת החיישן והוא יוצר את אות השעון המסנכרן אותן. קונפיגורציה לבקרי MPR03x יש שלוש רמות סינון. שתי הרמות הראשונות מאפשרות ליישום לשפר את האות לסילוק שינויים לא רצויים. המסנן הראשון מסנן רעש בתדירות גבוהה והשני מסנן רעש בתדירות נמוכה. את קונפיגורציית המסנן השלישי אפשר להגדיר לסילוק עירור נגיעה וכבסיס לגילוי נגיעה. בנוסף, ספים נפרדים לנגיעה ולשחרור עבור כל אחת מהאלקטרודות מאפשרים עצמאות גדולה של האלקטרודות. ספים אלו מספקים גם היסטרזיס במערכת, ומכאן שמצב המערכת לא תלוי בכניסה מסוימת. ההיסטרזיס מספק ספים נפרדים לנגיעה ולשחרור ולכן אפשר לקבוע ערכים שונים לנגיעה ולשחרור ולמנוע הפרעות. סף הנגיעה פעיל רק כשהקיבול גדל וסף השחרור מופעל כשהקיבול קטן לערך הבסיסי. היכולת להגדרת טווח הקיבול ייחודית להתקני MPR03x, והיא מאפשרת לכסות מגוון יישומים רחב בעזרת התקן יחיד. מאחר שמדידת הקיבול מתבססת על מודל סיכום המטען המסופק, מטען זה בלבד משפיע על טווח הקיבול. המטען המסופק הוא שילוב קצב (זרם קבוע) וזמן הטעינה. את הזרם אפשר לקבוע מ–1 עד 64 מיקרו–אמפר ואת זמן הטעינה אפשר לקבוע בין 0.5 ל–32 מיקרו–שנייה. התוצאה היא טווח מדידת קיבול בין 0.5 ל–2000 ננו–פאראד, אשר מספיק לכיסוי אלקטרודות בגודל דלת עד לחצני אצבע תוך שינוי שני פרמטרים בלבד. משפחת MPR03x מייצגת פתרונות שהם בעיקרם שני התקנים באותה המערכת. המשמעות היא שאפשר להשתמש בשני חלקים באותו קו I2C ולכן אפשר לפרוש יותר אלקטרודות באותה המערכת. גמישות זו מאפשרת הגדרה של ההתקנים לקבלת מירב הפונקציונליות או נצילות אנרגיה בתלות בעדיפות של היישום. משפחת MPR03x ביישומים משפחת MPR03x מאפשרת שימוש בבקרת מגע ביישומים שלא היה אפשרי בעבר. ליישומים אלו יש מאפיין אחד או יותר מהמאפיינים הבאים: 1.הם קטנים ביותר בגודלם, לעיתים נישאים 2. חיי הסוללה שלהם ארוכים ביותר 3.הם כוללים אלקטרוניקה פשוטה מאוד להלן כמה דוגמאות עם ציון מספר המאפיין לעיל, המתייחס לעדיפות מסוימת בתכנון. •אוזנית Bluetooth – אוזניות Bluetooth הולכות וקטנות עם המגבלה של גודל הלחצן ומיקומו. השימוש בלחצני מגע יכול להקל על התכנון ולאפשר שימוש בלחצן אחד או שניים לפונקציות מרובות, על מנת לשלוט בהפעלת המתח, בזיווג (pairing) התקנים ובעוצמה. להתקנים שמיועדים למקומות מרווחים יותר אפשר להשתמש בשני לחצנים כדי להקל את השימוש. מגבלת הגודל והסוללה הקטנה הופכים למתאים ביותר את השימוש בבקר חיישנים להספק נמוך בגודל 2 x 2 מ”מ. (1, 2). •מנורת שולחן – מנורות שולחן עם מתגי מגע פשוטים ממתכת קיימים בשוק כבר שנים ארוכות. עם זאת, המעבר לחישני קיבול מאפשר שליטה מדויקת יותר, כולל עמעום, הפעלה וכיבוי או אפילו אוטומציה של הבית. שימוש בחישן חכם יצור ממשקים פשוטים ואינטואיטיביים בהתקנים רבים בבית המודרני. (3). •מתקן למי שתייה – במקום להפעיל ברז הזנה עם ידית פלסטית במתקן למי שתייה, אפשר להשתמש בחיישן מגע קיבולי על מנת למזוג מים בפחות מאמץ. למשל, התקני משפחת MPR03x יכולים לשלוט בלחצני מגע למים קרים ולמים חמים. (3). •מחזיק מפתחות – לשלט רחוק לכניסה ללא מפתח יש שלושה שיקולי תכנון חשובים: צריכת הספק נמוכה ביותר, גודל קטן וקלות בשימוש. חיישן מגע קיבולי בגודל 2 x 2 מ”מ נותן מענה לכל שלושת הנושאים ומאפשר למתכנן גם לשלב בצורה טובה יותר פונקציונליות של נעילה, פתיחת נעילה, שחרור מנעול תא מטען ואזעקת חירום בתוך התכנון הסופי של מחזיק המפתחות (1, 2). •עט עם מתקן הצבעה בלייזר ונורית LED – בקרי משפחת MPR03x קטנים דיים כדי שיוכלו להשתלב ביישומים בגודל עט על מנת להוסיף יכולות בריבוי פונקציות בתקציב אנרגיה נמוך הכרוך בהפעלה בסוללה. לחצן מגע יחיד להפעלה ולכיבוי יכול לשמש כדי להפעיל נורית LED בתנאי סביבה של תאורה נמוכה או התקן הצבעה בלייזר להפעלה במצגות וככזה, מבלי להתפשר על התכנון של המבנה הדקיק של העט (1, 2, 3). •שעון יד ושעון מעורר – חיישן קיבולי בגודל 2 x 2 מ”מ מתאים במיוחד לתמיכה בלחצני מגע מרובי פונקציות על שטח הפנים המוגבל במיוחד של שעון יד. מאפייני ההספק הנמוך של החיישן מאריכים אף הם את אורך חיי הסוללה של היישום. חיישן זהה יכול לשמש בלחצני מגע מרובי פונקציות של שעון מעורר שבו בעיית המקום אינה חמורה אבל העלות וצריכת ההספק הנמוכות עודן נושאים בעלי עדיפות גבוהה (1, 2). •מפתחות מולטימדיה למחשב – למחשבים ניידים יש לחצנים נוספים רבים המאפשרים פונקציות מכרטיסים אלחוטיים ומצבי מצגות ועד לבקרי עוצמה ולנגני DVD מבוססי חומרה. לחצני מגע פשוטים יכולים לשמש כדי לפשט את התכנון המכני ולהעניק למחשבים מראה מודרני נאה (3). •תרמוסטט – התקני תרמוסטט חכמים משמשים יותר ויותר לבקרת אקלים יעילה. חישני מגע קיבוליים מאפשרים תכנון תרמוסטט יעיל יותר מבחינה אנרגטית וקל יותר לשימוש, והם יכולים להחליף את הלחצנים המכניים במשטחי נגיעה לצורך בחירה בזמן, בטמפרטורה ובתפריטים, הכל בעיצוב קומפקטי ואלגנטי יותר (1, 3). •עמעמי תאורה – חישני מגע קיבוליים יכולים להחליף את המתגים הנוטים להישבר בקלות, מסוג “לחץ להדלקה” ו”לחץ שנית לכיבוי” שנמצאים בעמעם. חיישן קיבולי יכול לתמוך בשני משטחי נגיעה, האחד לעמעום והשני להגברת האור ושניהם יחד לכיבוי והדלקת האור ללא חלקים נעים (3). •מצלמת רשת – רוב מצלמות הרשת פשוטות, קומפקטיות וזולות. אפשר לשלב חיישן מגע קיבולי קטן במצלמת רשת כלחצן יחיד להפעלה ועצירה, אשר יקטין את המורכבות, ישפר את האמינות וישמור על עלויות פיתוח ועל מחירי מכירה נמוכים (2). •מושבי מטוס – לחצני מגע יעילים במיוחד בסביבות שבהם קיימת תנועה רבה וחשיפה לפגיעה, כגון מושבי מטוסים מסחריים. חישני מגע יהיו זולים ואמינים כלחצני הפעלה לערוצי אודיו ווידיאו ולבקרה עוצמה. מאחר שאין בהם חלקים נעים התחזוקה שלהם מינימלית (1, 2, 3). •מכונות קפה – לחצני מגע שאינם מכניים מספקים שירות אמין ביישומים יומיומיים לאורך כל חיי המוצר. חיישן יחיד בגודל 2 x 2 יכול לפשט את התכנון ולהקל על השימוש על ידי כך שהוא מבקר שני לחצנים בלבד, האחד מיועד להפעלה וכיבוי והשני כדי לעבור בין המצבים השונים (3). מסקנות בעזרת השימוש בבקרי חישנים קטנים עם יכולות גמישות, כמו אלו שקיימים במשפחת MPR03x, מתכנני מוצרים יכולים לשלב לחצני מגע בכל מקום כמעט. התוצאות שיתקבלו יהיו תכנונים בעלי נצילות גבוהה וקשיחים יותר, עם יכולות של ריבוי פונקציות אפילו ביישומים קטנים או פשוטים ביותר.