Atmel SAM D20 QTouch 鲁棒性演示套件深度解析

在电子设计领域，电容式触摸技术凭借其高灵敏度、耐用性和美观性，在众多应用场景中得到了广泛应用。Atmel 的 SAM D20 QTouch 鲁棒性演示套件为我们提供了一个优秀的平台，用于评估和开发电容式触摸解决方案。今天，我们就来深入了解一下这个套件。

文件下载：ATSAMD20-QTRDEMO.pdf

一、概述

SAM D20 QTouch 鲁棒性演示套件展示了 Atmel 强大的电容式触摸技术。它集成了自电容（带弹簧）传感器和互电容传感器，并且这些传感器都运行在同一 Atmel SAM D20 微控制器上。该套件的配套包包含了原理图、Gerber 文件、物料清单（BoM）和固件，为开发者提供了全面的开发资源。

套件由两块不同的 PCB 组成，互电容传感器和 LED 位于顶部 PCB，自电容传感器和其他电子元件位于底部 PCB。两块 PCB 通过柔性电缆进行电气连接，并通过六角螺丝安装柱进行机械固定。前面板粘贴在顶部传感器 PCB 上。

这个演示套件设计为一个独立单元，可利用其板载微控制器评估抗噪性和防潮性能。运行相关固件的套件能够通过 IEC/EN 61000 - 4 - 6 标准的 3 级测试（10V ( (10 ~V_{RMS})) ），这表明它在传导抗扰度方面表现出色。

二、硬件描述

2.1 模块框图

套件的模块框图展示了各个组成部分之间的关系，它清晰地呈现了 SAM D20 QTouch 鲁棒性演示套件的整体架构，有助于我们理解套件的工作原理。

三、引脚配置

3.1 互电容传感器

套件中有一个由 8 个通道组成的滑块和 4 个基于互电容感应技术的按钮。滑块有 8 条 X 线和 2 条 Y 线。以下是互电容传感器的引脚配置：	FUNCTIONALITY	MCU PIN #	MCU PIN NAME
X0	17	PA08
X1	18	PA09
X2	19	PA10
X3	20	PA11
X12	25	PB12
X13	26	PB13
X14	27	PB14
X15	28	PB15
Y4	15	PA06
Y15	16	PA07

3.2 自电容传感器

套件有 6 个基于自电容感应技术的按钮，采用了 Atmel 专利的 Philipp Spring 来桥接 PCB 和前面板之间的气隙。以下是自电容传感器的引脚配置：	FUNCTIONALITY	MCU PIN #	MCU PIN NAME
Y1	4	PA03
Y10	5	PB04
Y11	6	PB05
Y12	9	PB06
Y13	10	PB07
Y14	11	PB08

3.3 指示部分

套件配备了 17 个 LED 和一个蜂鸣器，用于触摸检测的视听指示。每个按钮都有对应的 LED，当按钮被触摸时，LED 会发光。滑块有 7 个 LED 用于指示触摸位置，蜂鸣器在检测到有效触摸时会发出蜂鸣声。以下是 LED 和蜂鸣器的引脚配置：	FUNCTIONALITY	MCU PIN #	MCU PIN NAME
LED BUTTON MC 0	36	PA17
LED BUTTON MC 1	35	PA16
LED BUTTON MC 2	38	PA19
LED BUTTON MC 3	37	PA18
LED SLIDER 0	45	PA24
LED SLIDER 1	44	PA23
LED SLIDER 2	43	PA22
LED SLIDER 3	42	PA21
LED SLIDER 4	41	PA20
LED SLIDER 5	40	PB17
LED SLIDER 6	39	PB16
LED BUTTON SC 0	2	PA01
LED BUTTON SC 1	1	PA00
LED BUTTON SC 2	64	PB03
LED BUTTON SC 3	63	PB02
LED BUTTON SC 4	62	PB01
LED BUTTON SC 5	61	PB00
BUZZER	60	PB31

3.4 通信接口

触摸 MCU 的通信引脚连接到嵌入式调试器（EDBG）模块的数据网关接口（DGI），它作为 PC 和 SAM D20 MCU 之间的桥梁。触摸数据通过位 banging SPI 模式发送。以下是位 banging SPI 通信接口的引脚配置：	FUNCTIONALITY	MCU PIN #	MCU PIN NAME
BB - SS	31	PA14
BB - SCK	30	PA13
BB - MOSI	29	PA12
BB - MISO	32	PA15

四、单元组装

套件由三个独立单元组成：亚克力前面板、传感器 PCB 和主 MCU PCB。这种模块化的设计使得组装和维护更加方便。

五、套件供电

套件中有多个可处理不同电压等级的组件。默认情况下，LED 由 +3.3V 驱动以确保最佳亮度，SAM D20 的最大安全工作电压为 +3.6V。套件中有一个板载稳压器为 SAM D20 MCU 提供 +3.3V 电源，并且板上有旁路板载稳压器的设置。通过移动 PWR - LED 跳线从 3.3V LED 到 5V LED，可以增加 LED 的亮度。

套件有两种供电方式：

5.1 USB 端口

这是套件的默认供电选项。USB 连接到 EDBG 模块，EDBG 模块再连接到 SAM D20 MCU。+5V 的 USB VBUS 输入到主 MCU PCB 的板载稳压器，将其转换为 +3.3V 供 SAM D20 MCU 使用。

5.2 外部直流电源

有两种外部供电配置：

• 配置 I：用户可以选择使用板载稳压器，并提供 +5V 到 +12V 的电压。
• 配置 II：用户可以选择旁路稳压器，直接向芯片提供 +3.3V 电压。

六、嵌入式调试器（EDBG）

套件配备了板载嵌入式调试器（EDBG）模块，可用于使用 Atmel Studio 对固件进行编程和调试。此外，它还允许通过数据网关接口（DGI）在主机 PC 和套件之间流式传输触摸数据。EDBG 已预先配置为使用 SWD 接口支持 SAMD20J18 设备进行编程和调试，通过 DGI 与 SAM D20 进行位 banging SPI 连接以流式传输数据到 QTouch Analyzer。

七、连接到 QTouch Analyzer

要将套件连接到 QTouch Analyzer 以查看触摸数据，可以按照以下步骤操作：

1. 使用迷你 USB 电缆将套件连接到 PC。
2. 在 Atmel Studio 6 中打开 QTouch Analyzer。
3. 从下拉菜单中选择 QDEBUG_DGI 并点击“Connect”。
4. 当 DGI 设置屏幕弹出时，点击“OK”。
5. 点击“Start Reading”。
6. 在 QTouch Analyzer 中查看触摸信号。

八、开关操作

板上有两个滑动开关，可用于启用或禁用固件中的对策。这些开关位于板的左上角。

8.2 噪声处理

“NOISE HANDLING”开关用于启用或禁用固件中的噪声对策。当演示套件进行传导抗扰度噪声测试或使用嘈杂的电源供电时，应将开关置于“ON”位置。开关从“ON”切换到“OFF”或反之会发出蜂鸣声。

8.3 防潮处理

“MOISTURE TOLERANCE”开关用于启用或禁用固件中的防潮对策。固件设计用于检测水分的存在并锁定传感器，以防止误检测。开关从“ON”切换到“OFF”或反之会发出蜂鸣声。需要注意的是，当此开关处于“ON”位置时，不支持同时触摸多个传感器。

九、板操作

9.1 产品布局

套件的产品布局展示了自电容和互电容传感器的放置位置，这有助于我们了解传感器的分布和工作方式。

9.2 按钮描述

9.2.1 电源按钮

电源按钮用于打开或关闭面板。电源按钮的 LED 会持续发光以指示触摸面板的开启状态。再次触摸电源按钮，触摸面板将关闭，LED 熄灭。当按钮从关闭状态被触摸时，会发出长蜂鸣声，触摸面板被激活；当按钮在开启状态被触摸时，会发出短蜂鸣声，触摸面板被停用。

9.2.2 锁定按钮

锁定按钮用于启用或禁用套件中的所有其他触摸传感器。当锁定启用时，其他传感器将不响应触摸。锁定按钮的 LED 会持续发光以指示触摸面板的锁定状态。在锁定状态下触摸锁定按钮将解除锁定，LED 熄灭。每次有效触摸按钮都会伴随着蜂鸣声。

9.3 套件的操作模式

9.3.1 应用流程

套件的应用流程图展示了其工作流程，帮助我们理解套件在不同模式下的运行逻辑。

9.3.2 正常模式

在正常模式下，所有传感器都可正常工作。按钮的检测状态和滑块位置通过相应的 LED 显示。每次有效触摸都会发出短蜂鸣声。这是触摸面板的默认模式。

9.3.3 模式更改

要更改应用模式，按住程序按钮 P3 和 P4 一秒钟。如果当前模式是正常模式，将切换到设置模式，反之亦然。如果套件在设置模式下停留超过十秒钟，它将自动切换到正常模式。模式更改时，按钮 P3 和 P4 会有蜂鸣声和 LED 活动指示。如果启用了防潮功能，会看到两个 LED 与蜂鸣声一起闪烁片刻；如果禁用了防潮功能，蜂鸣声后两个 LED 会熄灭。

9.3.4 设置模式

设置模式允许调整套件的视听效果。套件通过 LED 发光和蜂鸣声为有效触摸提供反馈。此模式可用于以下操作：

• LED 亮度调整：确保处于设置模式，选择要调整 LED 亮度的互电容按钮，使用滑块调整所需亮度级别，通过双击相应的程序按钮（P1 ~ P4）保存 LED 亮度级别。按住程序按钮 P1 和 P2 一秒钟可将 LED 恢复到默认亮度。需要注意的是，LED 亮度设置临时保存在 RAM 中，套件断电重启后将恢复到默认设置。
• 蜂鸣器音量调整：确保处于设置模式，按住程序按钮 P2 和 P3 一秒钟，蜂鸣声表示进入音量设置模式。滑块上发光的 LED 数量表示当前音量设置，使用滑块调整音量级别，触摸滑块时可听到蜂鸣声。按住程序按钮 P2 和 P3 一秒钟可保存蜂鸣器音量级别。蜂鸣器音量保存在 NVM 中，即使断电重启后也会保留设置，需要手动设置蜂鸣器音量，没有自动重置功能。

十、原理图

套件的原理图分为 MCU 和传感器配置部分、LED、蜂鸣器和开关部分、电源供应部分以及传感器板部分。这些原理图为我们深入了解套件的电路设计提供了详细信息。

十一、PCB 设计

11.1 主 MCU PCB - 顶层

主 MCU PCB 的顶层设计展示了各种元件的布局，这对于理解电路的布线和信号传输非常重要。

11.2 主 MCU PCB - 底层

底层设计同样对电路的整体性能有着重要影响，它与顶层设计相互配合，确保套件的正常运行。

11.3 传感器 PCB - 顶层

传感器 PCB 的顶层设计与传感器的性能密切相关，合理的布局有助于提高传感器的灵敏度和稳定性。

11.4 传感器 PCB - 底层

底层设计为传感器的正常工作提供了必要的支持，与顶层共同构成了完整的传感器 PCB。

十二、物料清单

套件的物料清单详细列出了各个组件的名称、数量和规格，为我们了解套件的组成和进行后续的开发提供了重要参考。

十三、参考资料

以下文档可作为深入理解该技术的参考：

1. 《Peripheral Touch Controller - User Guide》
2. 《Atmel Embedded Debugger – User Guide》
3. 《QTAN0079 – Buttons, Sliders, and Wheels Sensor Design Guide》

Atmel 的 SAM D20 QTouch 鲁棒性演示套件为电容式触摸技术的开发提供了一个功能强大、易于使用的平台。通过对套件的深入了解，我们可以更好地利用其特性，开发出高质量的电容式触摸应用。你在使用类似套件的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。