摘要

    本文介紹了使用MSP430 作為主處理器實現(xiàn)可充電的觸屏遙控模塊,，該設計方案支持紅外（IR）信號傳輸,，且可擴展RF 和NFC 無線傳輸方式；用戶輸入采用觸摸按鍵實現(xiàn),，設計簡潔美觀,；系統(tǒng)可由電池供電,，且自帶可充電模塊，可由USB 或者直流電源適配器充電,。TI 的430 系列MCU產(chǎn)品功耗低,，可為便攜式電子設備提供更長的使用壽命；其內(nèi)嵌LCD 驅(qū)動器,，可以方便實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù),；其支持多種觸摸按鍵實現(xiàn)方式，設計簡便靈活,。

簡介

    遙控設備在日常生活中非常易見,，家電遙控器、玩具遙控器等方便了用戶對設備的控制,。針對不同需求,，遙控設備設計也不同，例如電視機遙控器不帶顯示屏,，通常用紅外信號傳輸,；空調(diào)遙控器則帶顯示屏，常用紅外（IR）和射頻（RF）傳輸信號；另有一些高端遙控產(chǎn)品可通過手機等更新固件,，實現(xiàn)版本的升級,。本文介紹了一套用于遙控設備的通用方案，該方案支持 LCD 顯示,；  支持紅外通信且可擴展射頻通信方式,；用戶輸入采用觸摸按鍵實現(xiàn)，時尚美觀,；本方案預留NFC 接口,，可擴展 NFC 功能；在電源管理方面,，支持電池供電,，USB 充電和無線充電，方便實用,。

1 原理介紹

1.1 電容式觸摸按鍵原理

    觸摸按鍵在電子設備中得到越來越多的應用,。用觸摸按鍵實現(xiàn)人機交互的電磁爐，微波爐,，電冰箱等家電產(chǎn)品越來越受青睞,，預計未來會有越來越多的觸摸按鍵產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的機械式按鍵產(chǎn)品。觸摸按鍵具有堅固耐用,，反應速度快,，節(jié)省空間，美觀大方,，易于清潔等諸多優(yōu)點,。觸摸式按鍵可分為四大類，電阻式,，電容式，紅外線式及表面聲波式感應按鍵,。其中電阻式,，紅外線式和表面聲波按鍵主要應用于觸摸屏中，在單個按鍵中很少使用,。本方案將重點討論電容式觸摸按鍵在單個按鍵中的應用,。

    電容式觸摸按鍵采用電容量為判斷標準，在觸摸按鍵的設計中,，它具有一些優(yōu)點,，例如可直接集成在 PCB 中，觸摸感應區(qū)域外形尺寸設計靈活,，相對成本較低等等,。簡單來講，電容式觸摸按鍵在按下的時候改變了電容值，從而改變電路振蕩周期,，通過對振蕩周期改變值的檢測實現(xiàn)對按鍵的檢測,。圖1 是電容式觸摸按鍵原理示意圖。

圖 1    觸摸按鍵原理示意圖

    空載狀態(tài)下,，感應區(qū)域電容由材料和結(jié)構決定（圖 1 左上圖）,電容值為 C1+C2,。變化電容基于寄生效應，主要由外界導體與PAD 之間的寄生電容組成（圖1 右下圖）,，手指按下,，寄生電容值變化，容值為 C1+C2+C3||C4,。將此電容接入電路組成振蕩器,，電容值的改變導致振蕩電路輸出頻率變化，通過測量輸出頻率判斷按鍵的觸發(fā)狀態(tài),。

    按鍵感應區(qū)域設計需要避免誤觸發(fā)以及兼顧靈敏度,。通常來說，單個按鍵感應區(qū)域需要做的足夠大,，以達到識別按鍵目的,；相鄰按鍵感應區(qū)域應保持一定距離，避免誤觸發(fā),；觸摸感應區(qū)形狀原則上可任意,，單個按鍵以圓形、方形為佳,。

TI 的MSP430 支持多種觸摸實現(xiàn)方式,，參考文檔[1]。

1.2 紅外信號傳輸原理

    紅外遙控原理可參考文檔[2],。本文采用 NEC 協(xié)議編碼,，簡單說是通過脈沖串之間的時間間隔來表示邏輯“0”和邏輯“1”。載波信號頻率為38k,，邏輯“1”用 0.56ms 的 38k 載波和 1.5ms的無載波表示,，邏輯“0”用0.56ms 的載波和0.56ms 的無載波表示，幀頭用9ms 載波加4.5ms無載波表示,。編碼幀格式參考圖2,，具體格式定義可根據(jù)實際情況稍作修改。

圖 2    紅外編碼數(shù)據(jù)幀格式

     TI 的 MSP430 系列 MCU 自帶 Timer,，可方便產(chǎn)生 38k 載波,，編碼時的載波有無控制可由Timer 的 PWM 輸出模塊實現(xiàn)[3]。其 PWM 輸出模塊可配置成 7 種輸出方式,，可方便實現(xiàn)上述編碼,。采用MSP430 的Timer 的PWM 輸出功能,，僅需要一個Timer 和一路PWM 即可輕松實現(xiàn)紅外編碼，無需額外硬件,，軟件實現(xiàn)簡單,。為系統(tǒng)設計節(jié)省成本和開發(fā)時間。

1.3 可充電觸屏遙控模塊方案設計

    傳統(tǒng)的遙控模塊采用機械按鍵實現(xiàn),，本方案采用觸摸按鍵設計,，按鍵和顯示在同一塊LCD 屏上，外形時尚,、美觀,。本方案作為參考設計，除了遙控器基本功能（按鍵,，顯示,，發(fā)射，按鍵聲）外,，還設計了充電和 USB 模塊,，并擴展了 RF 和 NFC 接口?？沙潆姺绞教岣吡遂`活性,，用戶僅需要充電而不必更換電池。USB 模塊可實現(xiàn)和 PC 端應用軟件通信,。本方案不僅僅是遙控器方案,，在其他應用領域，本方案也有很大的參考價值,，用戶僅需要根據(jù)需求對本方案功能模塊進行裁剪即可,。本方案電源模塊支持電池供電和USB 或直流適配器充/供電；觸摸按鍵采用比較器B實現(xiàn),；RF 和NFC 模塊采用SPI 和MCU 接口,；MSP430 自帶的USB 模塊可方便與PC 端應用軟件接口，實現(xiàn)PC 和MCU 的雙向通信,。系統(tǒng)框圖如圖3 所示,。

圖 3    系統(tǒng)框圖

2 設計實例

2.1 硬件設計

2.1.1 電源模塊設計

    本系統(tǒng)采用電池供電，且設計了充電電路,，支持 USB 或直流充電。電源經(jīng) LDO 穩(wěn)壓后輸出3.3V 供給MCU,，保證MCU 工作電壓的穩(wěn)定,。其電路實現(xiàn)如下圖4 所示。

圖 4    電源模塊電路設計

2.1.2 LCD 及背光模塊設計

    MSP430F6638 自帶 LCD 控制器,，可方便地驅(qū)動段式 LCD 屏,。屏幕背光亮度由 Timer 輸出PWM 波控制,，調(diào)節(jié)方便。背光電路設計如圖5 所示,。通過改變PWM 的頻率和占空比,，可改變背光亮度，從而改變LCD 屏視覺效果,。

圖 5    背光電路設計

2.1.3 觸摸按鍵設計

    MSP430F6638 自帶比較器 B,，最多可支持 12 個觸摸按鍵，比較器 B 的輸出接入 Timer 的CLK 輸入端,，當手指按下,，觸摸感應區(qū)電容值發(fā)生了變化，比較器翻轉(zhuǎn)周期變長,，比較器輸出作為 Timer 的計數(shù)脈沖,，在固定的時間內(nèi)計數(shù)值變小，根據(jù)固定時間內(nèi) Timer 計數(shù)值的變化來判斷按鍵動作,。通過合適配置寄存器和軟件算法處理,，可實現(xiàn)觸摸按鍵檢測。電路設計如圖 6 所示,。注意為了降低噪聲,，每通道外接電阻不宜過小，可選500k 左右,。比較器B 翻轉(zhuǎn)電平通過配置寄存器實現(xiàn),，請參考手冊[3]。

圖 6     觸摸按鍵電路設計

2.1.4 紅外發(fā)射模塊設計

    紅外模塊采用普通紅外管實現(xiàn),，通過配置 Timer 輸出合適的 PWM 波實現(xiàn)紅外編碼,。紅外發(fā)射瞬間電流較大，通過MCU 的GPIO 控制三極管驅(qū)動紅外發(fā)射燈管,，提高發(fā)射電流,。紅外發(fā)射模塊需配合接收模塊采用同樣的編碼格式實現(xiàn)通信。紅外模塊電路圖如圖7 所示,。

圖 7    紅外發(fā)射模塊

2.1.5 USB 模塊設計

    MSP430F6638 自帶 USB 模塊,，可實現(xiàn) USB 通信，其硬件設計簡單,。本文用 USB 虛擬

    UART 實現(xiàn)和PC 通信,。關于USB 調(diào)試請參考TI 官網(wǎng)資料[4]。

2.2 軟件設計

2.2.1 嵌入式軟件設計

    系統(tǒng)軟件流程如圖 8 所示,。無按鍵動作時,，系統(tǒng)運行 RTC，顯示當前時間,，溫度且把時間,，溫度以及按鍵狀態(tài)（每個按鍵動作有無）信息發(fā)送給 PC,。當有按鍵按下后，除了上述功能外,，系統(tǒng)還將執(zhí)行按鍵上層邏輯,，比如是否進入時間設定模式，是否開蜂鳴器以及發(fā)射哪種紅外碼等等,。

圖 8    軟件流程圖

2.2.2 PC 端軟件設計

    為了方便實現(xiàn)人機交互,，使用 C Sharp 語言開發(fā)了配套的 PC 端軟件實現(xiàn)和 MCU 的雙向通信。通過 PC 端軟件可查看 DEMO 的當前狀態(tài),，包括時間,，溫度，按鍵動作等,，另外也可通過PC 端改變DEMO 背光的亮度,。PC 端軟件如圖9 所示。

圖 9    PC 端軟件

    DEMO 通過 USB 線與 PC 端 COM 口連接,，MSP430F6638 的 USB 通過軟件協(xié)議虛擬UART,，在 PC 端選擇合適的 COM 端口號可實現(xiàn) PC 軟件和 DEMO 的互連。圖 9 中左圖反映DEMO 的實物,，當有按鍵按下的時候,，對應的按鍵圖標閃爍一下，同時在記錄框輸出文字記錄這個動作(Button xx Pressed!),。最下面圖表則實時顯示當前溫度信息,。

2.3 DEMO 展示

    DEMO 實物如圖 10 所示。鍵盤區(qū) 12 個按鍵,，每個按鍵按下圖標會閃爍一下,，同時蜂鳴器會響 0.3s 左右。每個按鍵做了不同功能,，可根據(jù)需求發(fā)射不同的紅外碼實現(xiàn)遙控器的功能,。演示DEMO 中代碼支持RTC 和溫度計功能，支持靈活調(diào)整時間,，同時可通過PC 端軟件來調(diào)節(jié)屏幕背光,。DEMO 還可擴展光傳感模塊，可根據(jù)環(huán)境光強弱智能調(diào)節(jié)背光亮度,，達到較好的視覺效果,。

    該 DEMO 具有通用性，在所有需要顯示和人機交互的微控制系統(tǒng)中均可參考此方案,，只需對FW 做簡單修改即可實現(xiàn)所需功能,。同樣，MSP430 系列眾多的產(chǎn)品線為客戶提供了不同成本的多種選擇,?？蛻艨筛鶕?jù)具體需求選擇合適的MCU 和合適的代碼模塊組合，以實現(xiàn)最高的性價比,。

圖 10    DEMO 實物       

3 總結(jié)

    本方案使用MSP430F6638 作為主處理器,，展示了用其實現(xiàn)觸屏遙控器的電子模塊設計實例。在遙控器,，無線設備以及其它需要按鍵和顯示的應用場合均可參考本方案,。MSP430 豐富的產(chǎn)品線也為前述應用場合提供了豐富的選擇，客戶可根據(jù)具體需求選擇合適的產(chǎn)品,，達到最優(yōu)性價比,。

參考文檔 

1.  Capacitive Touch Library (SLAA490)

2.  MSP430F415 在LCD 空調(diào)紅外遙控器中的應用  (ZHCA425)

3.  MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User's Guide  (SLAU208M)

4.  Starting a USB Design Using MSP430™ MCU