采用MoC输入系统实现降低产品成本与抗污染

用户界面的输入部分是新产品设计中最具挑战性和最不易理解的方面之一。这也是设计中最令人沮丧的方面之一。如果输入系统太简单，则用户必须通过复杂的舞蹈来更改配置。如果输入系统太复杂，那么单元的成本会受到影响并削减单元的销售。如果我们选择了错误类型的按钮，我们就会遇到湿气，灰尘和其他污染物的问题。即使使用正确的按钮和适当的复杂性，我们仍然需要兼顾电路板布局，按钮机制和前面板设计，以使按钮与前面板正确对齐。简而言之，找到合适的用户输入可以创建或破坏新设计，但正确使用它并不是一项简单的任务。

输入系统对产品吸引力很重要，必须支持产品功能的复杂性，同时降低成本并希望将灰尘和其他外来物质排出外壳。我们如何实现这一切并仍然保持开发时间的真实性？好吧，直到最近，这将是一项艰巨的任务，需要在成本和功能之间进行多次权衡。然而，随着Microchip新型金属电容（MoC）输入系统的推出，我们可以创建复杂的定制输入系统，几乎不会影响成本，抗污染或开发时间。

MoC系统使用产品的前面板作为输入系统。它通过在设备前面板上印刷的每个“按钮”后面安装电容式传感器来实现。当用户按下前面板或目标时，目标和传感器之间的距离减小，电子设备检测到压力是传感器电容的变化（图1）。

MoC系统的优势在于我们现在可以通过在前面板上打印按钮图例来根据需要创建尽可能多的密封按钮。面板上没有切口，没有机械按钮，PCB/按钮/前面板之间没有堆叠公差，只是一个使用现有外壳作为输入系统的简单系统。

图1：典型的MoC系统。

请注意，为清楚起见，图1中的目标偏转被夸大了。在典型的设计中，靶的偏转实际上在10到15微米的量级，因此金属疲劳不是问题。实际上，目标不一定是固体金属板。 MoC在塑料靶上的效果同样很好，背面只有一层薄薄的Mylar导电层或银色墨水。目标上的金属也不必具有与地面的硬连接以进行操作。通过在传感器周围放置一个接地平面，可以将目标电容耦合到地，或者传感器可以分成两半，一半接地，另一半作为传感器。然而，在嘈杂的环境中，目标和地之间的硬连接对于防止噪声是优选的。

机械设计的另一个重要方面是传感器和目标之间的间距，通常约为50到100微米。使用双面粘合剂很容易实现这种间距，并且传感器的电容提供10％到20％的偏移。这通常足以可靠地检测用户的印刷机，加上一些噪声容限。图2显示了灵敏度如何与目标和传感器之间的间距相关。

图2：在目标偏转10μm的情况下，偏移与厚度的关系。

要记住的一个重要因素是，并非所有材料都能很好地粘附在同一种粘合剂上。原因是不同的材料具有不同的表面能量等级。如果使用错误的粘合剂，则间隔可随时间改变而降低灵敏度，或者传感器可通过用户的重复按压完全脱离目标。咨询粘合剂分配器将提供对哪种粘合剂适合工作的深入了解，并提供有关在目标位于目标下方之后设置粘合剂的正确方法的信息。

MoC的机械设计还为我们提供了压力机所需的驱动力的灵活性。这是因为实现10微米偏转所需的力的大小是靶下方的开口直径，靶的厚度和靶材料的杨氏模量的函数。因此，通过在目标下使用不同尺寸的开口，我们可以创建具有或多或少的致动力的按钮。 Microchip还提供基于PC的应用，可计算各种目标厚度，材料和开口的驱动力（图3）。

图3：Microchip偏转工具。

由于MoC系统将电容的变化测量为线性值而非数字线，因此也可以在一个按钮上设置两个或更多阈值。这意味着用户最终可以通过按下按钮获得不同的响应。例如，如果用户按下按钮，则音量增大按钮可以更快地增加音量。

之前的讨论已经确定机械设计更简单，更便宜。电气接口和驱动它的软件怎么样？以下是Microchip为设计人员提供简便方法的另一个例子：电气接口是使用10位ADC（模数转换器）的CVD（电容分压器）系统，或CTMU（充电时间测量单元）加一个ADC。两者都同样有效，您只需选择一个带有所需附加外设的微控制器，然后使用该微控制器上的任何系统。所需的唯一外部元件是微控制器电源上的旁路电容，以及CVD系统上每个传感器的4.7KΩ串联电阻（图4）。

图4：基于CVD和CTMU的电气设计。

系统软件是可配置的预编程软件包，因此设计人员无需从头开发软件。基本上，设计人员通过头文件配置包，其中指定了传感器的数量，哪些输入与传感器相关联，按下阈值以及许多其他功能。该软件系统还包括处理系统噪声所需的附加功能，尽管MoC系统在很大程度上不受噪声影响，因为传感器基本上被法拉第笼包围。请记住，如果传感器上的目标没有硬接地，则可能必须启用一些噪声抑制功能来处理可能会传播的任何传导噪声问题。

软件中的一个有用选项是能够定义滑块。滑块是两个或多个传感器组合在一起，形成类似于线性电位计的可变调节。用户所要做的就是按下滑块上两个极端之间的任何位置，软件提供与用户手指位置相对应的比例值。此功能对于具有音量/速度/强度调节的系统特别有用，因为它为用户提供了一个直观的旋钮，可以用上/下按钮调节显示器（图5）。

图5：带图例的滑块实现示例。

这两个系统还包括允许设计人员将MoC软件系统链接到基于PC的GUI的功能，以便评估，测试和调整软件。这在最初启动和运行系统时特别有用，因为它允许您在用户按下时可视地查看正在发生的事情，并且还收集硬编号以确定系统的适当检测阈值。 MoC软件和GUI之间的物理链接是可配置的，允许I2C和串行通信。某些版本的MoC/GUI软件还允许在系统运行时动态调整触摸检测阈值（图6）。

图6：GUI的屏幕截图。

关于MoC系统的最后一点是按钮图例的背光。没错，我们实际上可以为金属按钮提供背光。有几种方法可以实现这一点;

我们可以使用带有印刷ITO（氧化铟锡）或ATO（氧化锑锡）金属层的塑料靶。两种材料都是透明的，允许光线照射目标层并照亮印刷的图例。

金属可以打孔并用透明树脂填充。

侧面照亮光管可以放置在印刷顶部和导电目标层之间。

目标上的导电层可以是一个简单的金属圆盘，通过一个短基座粘合到透明塑料目标层上，允许光线通过光盘后面照亮塑料目标层。

背光的唯一真正挑战是获得正确数量的LED和正确的光漫射材料，以防止图例中出现热点。但是，在咨询印刷厂之后，即使这个问题也不是不可克服的;毕竟，打印机已经长时间背光传说并且应该知道使图像正确照明所需的所有技巧。

所以，通过使用MoC，我们可以创建任意数量的按钮，我们可以使用塑料或金属前面板，我们不必在前面板上切任何孔，我们可以使按钮任意形状我们想要，我们甚至可以改变按下按钮所需的力量。最重要的是，我们不再需要担心潮湿，灰尘和其他污染物;检测软件已经为我们编写;我们可以有按钮/滑块/多个阈值按钮;我们唯一需要做的就是找到合适的粘合剂将PCB粘到前面板上。听起来像设计我们的用户界面的输入一半变得更容易。这只会为您的应用选择合适的微控制器。