探索PICDEM Touch Sense 2 Demo Board：开启电容式触摸感应应用新旅程

在电子设计领域，电容式触摸感应技术凭借其简洁、灵敏的特点，正逐渐成为人机交互的主流方式。今天，我们将深入探讨Microchip Technology的PICDEM Touch Sense 2 Demo Board，它为电容式触摸感应应用的开发提供了一个理想的平台。

文件下载：DM164128.pdf

一、前言与文档指引

在正式使用PICDEM Touch Sense 2 Demo Board之前，我们需要了解一些重要的信息。这份用户指南虽然可能会随着时间推移而更新，但它仍然是我们开启探索之旅的重要依据。大家可以通过Microchip的官方网站（www.microchip.com）获取最新的文档，文档编号为“DSXXXXXA”，方便我们识别和查找。

同时，为了更好地使用这个开发板，我们还推荐阅读一些相关文档，比如PIC24F Family Reference Manual，它详细介绍了PIC24F微控制器家族的架构和外设模块，特别是其中关于Charge Time Measurement Unit (CTMU)的部分，这是电容式触摸感应演示的核心。另外，Device Data Sheets和Flash Programming Specifications能为我们提供设备特定的信息和规格，对开发工作非常有帮助。

二、开发板概述

2.1 开发板特点

PICDEM Touch Sense 2 Demo Board为开发各种电容式触摸感应应用提供了一个简单而强大的平台。它的设计简洁，元件数量少，但却能展示如何使用单个微控制器实现具有多个输出的USB启用触摸应用。通过USB连接，开发板既能实现通信又能获取电源，无需额外的外部电源供应。而且，它还可以从PC上断开，通过测试点供电以实现独立功能。

2.2 操作要求

要与开发板进行通信和编程，我们需要满足一定的硬件和软件要求。一台带有CD - ROM驱动器的PC兼容系统是必不可少的，同时PC上需要有一个可用的USB端口或一个供电的USB集线器。操作系统方面，支持Microsoft Windows XP SP2或32位的Windows Vista（不过目前仅对32位Windows Vista进行了初步测试，64位版本暂不支持）。

2.3 初始设置

开发板预装了演示应用，开箱即用。不过，在首次将开发板连接到计算机之前，我们需要先安装随附CD上的软件，以确保安装了与开发板通信所需的USB驱动程序。安装过程会自动启动，期间需要我们接受Microchip软件许可证并确认安装目录。

安装软件后，将提供的USB电缆（A到mini - B）连接到PC或供电集线器的可用USB端口，再连接到开发板的mini - B插座。连接正确后，开发板右侧触摸滑块的LED会运行一个动画“追逐者”序列，同时系统托盘会弹出消息，提示新硬件已找到、驱动程序正在安装以及新硬件已准备好使用。如果遇到问题，可以尝试拔下并重新连接USB电缆，若仍无法解决，可参考“故障排除”章节。

三、演示应用

3.1 触摸界面原理

演示应用的触摸感应功能基于PIC24F微控制器的片上Charge Time Measurement Unit (CTMU)模块。CTMU通过一个恒定电流源将触摸电路充电到固定电压水平。当有额外电容（如手指触摸）加入电路时，固定电流源会使电路充电到较低电压，微控制器通过检测这种电压变化来感知触摸事件。

开发板有四个不同的传感器演示区域，分别是方向键盘、数字键盘、触摸滑块和“软”电源控制。这些区域的传感器通过CTMU监测模拟输入通道，而电路板顶层的电容式触摸板传感器与这些通道相连。顶层的丙烯酸层不仅保护了PCB顶层，还提供了触摸位置的视觉提示。

3.2 触摸灵敏度与传感器持久性

触摸传感器的响应受多种因素影响，如触摸面积、电压和电流水平、环境湿度、静电积累等。演示应用的固件在设计时已经考虑了大部分这些因素，并基于典型环境值和某些假设常数进行了优化，但该应用本身不可调节。不过，我们可以通过PC端应用程序更改传感器的灵敏度，具体操作将在后面介绍。

传感器的设计是对状态变化事件做出响应，即对触摸做出反应，而不是对触摸和释放都做出反应。由于固件采用了缓慢的平均算法来适应开发板环境的不断变化，持续触摸一个或多个传感器会先产生持续响应，几秒后则不再响应。移除触摸刺激后，算法会重置，传感器恢复响应能力。需要注意的是，不要触摸开发板的底部，否则会影响整体电容，导致不可预测的操作。

3.3 各个触摸感应演示

• 方向键盘：位于开发板左下角，呈8点罗盘玫瑰形状，触摸任何一个箭头或中心圆圈，上方对应的箭头或圆圈会亮起。
• 数字键盘：是开发板上面积最大的应用，由20个触摸感应键组成4x5的阵列，类似一个简单的四功能计算器。触摸任何一个按键，其左上角和下方会亮起，并伴有声音提示。
• 触摸滑块：位于开发板右侧，形状类似大感叹号的上半部分。触摸滑块的任何位置，该位置会亮起，手指移动时灯光会跟随，手指移开后灯光停留在最后位置。
• “软”电源控制：位于开发板最右侧，标有通用电源开关符号。触摸该控制区域可打开或关闭开发板。关闭时，轻触即可开启；开启时，需按住3秒才能关闭。开发板开启时，触摸滑块会进行“追逐者”显示。

四、mTouch传感解决方案

4.1 解决方案简介

mTouch传感解决方案是一个多功能应用程序，专为Microchip的许多触摸感应演示而设计。它为查看、调整和调试PICDEM Touch Sense 2 Demo Board上预加载的演示软件提供了有用的工具，也可用于开发自定义应用。

4.2 使用方法

在启动mTouch传感解决方案之前，要确保开发板已连接到PC的USB端口或连接到PC的USB集线器，并且开发板正常运行。启动程序后，会出现两个窗口：Board窗口和Diagnostic Tool窗口。

• Board窗口：用于选择要使用的Microchip硬件应用和要检查的子系统。默认情况下，应用程序配置为Microchip的PICDEM Touch Sense 1 Demo Board，我们需要选择mTouch sensing solution 2标签，然后点击相应图形选择开发板的三个区域之一进行诊断测试。
• Diagnostic Tool窗口：用于显示所选硬件和子系统的各个传感器或通道的状态。根据所选的传感器区域，窗口会显示相应数量的传感器通道状态显示。每个传感器的状态显示为条形图，上方有指示灯，软件检测到触摸事件时指示灯会变亮。条形图显示传感器通道的A/D转换值，还包括瞬时转换值、移动平均值、滞后值和触发水平等信息。

4.3 全局诊断窗口设置

在Diagnostic Tool窗口中，我们可以通过Settings对话框更改所有传感器的某些全局设置，以及开发板和诊断软件的交互方式。具体设置包括：

• 全局限制区域：可以手动设置所有条形图的最小值和最大值，范围为0到65535。输入值并按键使设置生效，更改此设置会覆盖自动缩放功能。
• 启用轮询复选框：启用与开发板的通信和传感器信息的实时显示。即使取消选中该复选框，mTouch传感解决方案的USB部分仍保持运行并与开发板通信。取消选中时，条形图上会保留最后一次轮询的值，再次选中时会显示最新数据并恢复正常轮询，可将其作为“冻结”或暂停按钮使用。
• “Trip & Guardband”部分：配置mTouch传感解决方案与开发板在保护带和触发点设置方面的交互。有两个选项按钮，“Default to Firmware Values”使触发和保护带值由开发板的固件计算，这些值会通过USB连接发送到mTouch传感解决方案工具并不断更新显示；“Use Saved Values”使我们输入到mTouch传感解决方案的值通过USB发送到开发板并使用，这些值由用户输入且为静态，只有用户更改时才会改变。
• “Retention”区域：确定mTouch传感解决方案的设置如何保存，包括条形图的全局最小和最大限制、自动缩放设置、触发和保护带设置、Aux1和Aux2设置等。选中“Save Settings When Finished”复选框（默认），关闭mTouch传感解决方案时所有设置会保存到PC的永久存储中；点击“Save Settings Now”按钮可立即保存所有设置。不选中“Save Settings When Finished”，用户可以根据需要使用“Save Settings Now”按钮保存工作配置，退出并重新启动应用程序可恢复“已知良好”的设置。

4.4 单个传感器显示设置

除了全局显示设置，每个传感器通道还可以单独配置以调整其行为和特定显示属性。左键单击任何通道的条形图，会出现该通道的Setup对话框。在对话框的上部，我们可以为每个传感器通道设置保护带和触发点的单个值，还可以选择设置额外的参考点“Aux1”和“Aux2”，这些变量的有效范围为0到65535，每个点都有一个“Visible”复选框，用于确定该值是否在条形图上显示。需要注意的是，“Use Saved Values”选项按钮必须设置，这些值才会有效并被开发板使用。

对话框的“Scale”区域用于手动缩放条形图，我们可以直接在文本框中输入条形图的下限（LL）和上限（UL）值，也可以使用滑块和/或箭头按钮进行设置，LL和UL的值范围为0到65535，且UL必须大于LL。“Autoscale R1”按钮可自动选择条形图要显示的最小值和最大值。

4.5 传感器数据绘图和记录

在Setup窗口中，点击“Chart R1”按钮可以启用任何传感器通道的数据记录。点击后会打开一个额外的窗口，显示该通道的转换值随时间的变化曲线。按下“Chart R1”后立即开始绘图，只要Plot窗口中的“Run”复选框被选中，绘图就会继续。按下“Clear”按钮可擦除绘图并开始新的绘图。

绘图窗口中触摸传感器值的范围等于为条形图设置的最小值和最大值。绘图窗口的数据采样和显示速率最低为每秒10个样本，通过更改“Num Points”文本框中的值可以改变显示的数据量和时间轴的比例，默认数据点数为500。

“Log Data”复选框可启用将通道数据自动记录到文本文件（.txt扩展名），文件名是触摸传感器通道名称加上.txt扩展名。选中该复选框后，会弹出对话框确认文件名和工作目录（默认是C:Program Files MicrochipmTouch2），数据以与绘图相同的速率（每秒5个样本）记录到文件中。

五、开发板硬件

5.1 应用功能概述

开发板的操作由PIC24FJ256GB110微控制器管理，它只需要很少的额外硬件就能完成任务。预加载的演示应用除了包含触摸感应演示代码外，还使用了Microchip USB Stack Library的大部分内容，为基于PC的接口应用提供硬件接口。

触摸感应应用使用微控制器的Charge Time Measurement Unit (CTMU)和所有16个A/D输入通道来监测触摸界面。CTMU通过感知输入电容的微小变化来确定触摸事件的发生，开发板上的传感器由精心布置的电路迹线和电容式触摸板组成。

不同的传感器区域使用不同数量的A/D通道进行监测：

• 数字键盘：9个A/D通道用于监测4x5阵列的数字键盘开关，每个“开关”由两个通道的交错导体组成，通过同时监测两个通道的电容变化来确定触摸键的位置。
• 方向键盘：4个通道用于监测方向键盘，传感器由四个箭头形状的双电容触摸板组成，分别位于四个基本方位（北、东、南、西），相邻的四个方位（东北、东南、西南、西北）和中心也有电容触摸板。基本方位的触摸事件会导致相应通道的电容变化，非基本方位或中心的触摸通过相邻两个通道或四个通道的同时变化进行插值计算。
• 触摸滑块：2个通道用于监测触摸滑块，滑块由两个大的相邻电容触摸板组成，从一侧到另一侧逐渐变细且方向相反，通过通道之间的电容差分变化来确定触摸事件的位置。
• “软”电源开关：剩余的1个A/D通道用于监测开发板的“软”电源开关，它是一个类似于数字键盘的交错电容触摸板。开发板通电后，微控制器立即初始化演示应用并进入全功率模式。按下并按住电源开关约3秒，微控制器进入低功率睡眠模式，每隔50毫秒监测电源开关。触摸电源开关会使应用恢复到全功率运行。

微控制器通过PORTC、PORTD、PORTE和PORTG的引脚直接驱动61个LED，为触摸事件提供视觉反馈。数字键盘的LED以4x5矩阵形式由PORTE驱动，触摸滑块的线性LED显示也以类似方式驱动。此外，开发板还通过微控制器的PWM模块生成音频信号，直接驱动压电扬声器BZ1，为数字键盘的触摸事件提供声音反馈。

微控制器使用其片上USB引擎和收发器通过USB mini - B插座与PC端接口应用进行通信，开发板作为总线供电设备通过USB插座获取应用电源。同时，开发板上的Q1（MCP1702电压调节器）将VBUS的+5 VDC转换为开发板所需的+3.3 VDC。开发板还提供了一些接口，允许用户添加组件以创建外部供电的应用。对于想要将开发板用作实验平台的用户，可以通过标准接口对微控制器进行重新编程，开发板上提供了一个六针插头用于连接任何MPLAB ICD 2兼容的编程器，为了减少触摸板的整体电容，还提供了一个单独的开关（S13）用于连接或断开ICD线路与扫描线路。

5.2 开发板组件

开发板的关键硬件组件包括：

• PIC24FJ256GB110微控制器（U1）：为触摸感应演示应用提供处理能力，具有256 Kbytes的闪存程序存储器和16 Kbytes的RAM，为开发更复杂的触摸感应应用提供了足够的空间。微控制器使用8 MHz信号创建48 MHz的USB时钟和32 MHz的应用时钟，通过晶体Y1和相关组件维持USB规范所需的频率公差。
• USB mini - B插座（J3）：为开发板与PC端的演示应用提供便捷的接口，同时为开发板提供电源。
• ICSP编程插头（J1）：提供标准的Microchip ICD接口，用于对开发板上的应用进行编程和调试，可直接连接Microchip的PICkit串行编程器。还可以使用可选的RJ - 11适配器（Microchip Part # AC164110）进行模块化电缆连接。
• 电源供应（D18/Q1）：将VBUS的+5 VDC转换为开发板所需的+3.3 VDC。开发板上还提供了电路迹线，允许用户创建非USB电源供应，将9 VAC转换为调节后的+3.3 VDC和+5 VDC，用户需要按照附录A中的规格在指定位置安装相关组件。
• 压电扬声器（BZ1）：为演示应用提供声音反馈。
• 方向传感器LED（D19 - 24, D26 - 27, D38）：为方向传感器垫上的触摸事件提供视觉反馈。
• 方向触摸传感器（ROT1）：电容式传感器位于开发板的正面。
• 数字键盘（S1 - 12, S21 - 28, D1 - 10, D28 - 37）：包含触摸键盘的传感器和LED，电容式触摸传感器位于开发板的正面。
• 触摸滑块（S14, D12 - 17, D39 - 64）：包含触摸滑块的传感器和32个LED组成的连续条形显示，电容式触摸传感器位于开发板的正面。
• 电源触摸开关（S20, D65）：包含开发板“软”电源开关的LED和传感器，传感器位于开发板的正面。

六、故障排除

在使用开发板的过程中，可能会遇到一些问题，以下是常见问题及解决方法：

6.1 开发板无响应

如果开发板对输入没有响应（如触摸键盘或触摸传感器时没有灯光亮起），首先要检查开发板的电源：

• 验证USB连接上是否有USB电源（VUSB，+5 VDC）。
• 如果开发板通过USB集线器连接到计算机，要确保集线器已供电且能够为下游设备提供电源。
• 如果开发板直接连接到计算机，要验证所使用的USB端口是否活跃，可以尝试切换到另一个端口。

开发板可能进入了待机模式，此时可以轻按电源控制，如果开发板处于待机模式，电源控制LED会亮起，触摸滑块的条形图会显示“追逐者”序列。

6.2 触摸传感器灵敏度异常

如果触摸传感器对输入异常敏感或不敏感（通常是不敏感），可能是开发板顶部的丙烯酸表面变脏了，可以用湿润（但不潮湿）的软布轻轻清洁表面，只能使用水进行清洁，不要使用玻璃清洁剂或商业溶剂。

同时，要检查mTouch传感解决方案软件中传感器的条形图设置，开发板的触发点和其他设置可能已被更改，影响了默认操作。可以在Settings对话框中，验证是否选择了“Use Firmware Settings”选项；如果选择了“Use Saved Value”选项，需要将每个受影响通道的触发点值更改为能产生适当响应的值。

6.3 开发板与mTouch传感解决方案通信问题

如果开发板和mTouch传感解决方案已正确安装并运行，但无法相互通信