探秘MTCH6303：投影电容式触摸控制器的卓越之选

在嵌入式设计领域，触摸交互技术的发展日新月异。Microchip的MTCH6303投影电容式触摸控制器，以其出色的性能和丰富的功能，成为众多开发者的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款控制器。

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一、产品概述

MTCH6303是一款创新的交钥匙投影电容式触摸控制器，它不仅能提供多点触摸坐标，还具备现成的多指表面手势套件。这意味着，它可以为任何嵌入式设计带来现代用户界面（UI）元素，如捏合缩放、多指滚动和滑动等，而且对主机的要求极低。

其先进的信号处理技术提供了噪声规避技术和十指预测跟踪功能，通常在五次触摸时，每个触摸点的频率可达100 Hz。此外，它还能与Microchip的MTCH652高压线路驱动器结合，在嘈杂环境中实现卓越的信噪比（SNR），从而确保出色的触摸性能。这一特性使得MTCH6303在工业控制、家庭和办公室自动化、恒温器、打印机、照明控制以及各种消费应用（如健身设备和音频系统）等要求苛刻的环境中表现出色。

二、关键特性

2.1 多点触摸能力

支持多达十点触摸，其中五次触摸通常每个点可达100 Hz以上的频率，能够满足大多数应用场景下的多点触摸需求。

2.2 通道支持

拥有27RX x 19TX通道，可支持约8英寸的触摸屏（更大尺寸也有可能），为不同尺寸的触摸屏设计提供了灵活性。

2.3 高信噪比

与MTCH652高压驱动器结合，实现卓越的信噪比，有效抵抗噪声干扰，保证触摸的准确性和稳定性。

2.4 手势识别

集成了单指和多指手势识别套件，包括点击、滑动、滚动、捏合和缩放等常见手势，为用户提供了丰富的交互体验。

2.5 噪声规避

先进的处理技术提供噪声规避技术，确保在复杂电磁环境下仍能正常工作。

2.6 通信方式

支持USB和 (I^{2} C^{TM}) 通信，方便与不同的主机设备进行连接和数据传输。

2.7 3D手势支持

与MGC3130 GestIC® 控制器结合时，可支持高达20 cm的3D手势，进一步拓展了交互方式。

三、电源管理

以27RX 19TX传感器为例，其全扫描速率下电流为27 mA，降低扫描速率下电流为1 mA。这种灵活的电源管理方式有助于降低功耗，延长设备的续航时间。

四、应用领域

4.1 触摸屏设计

适用于需要经济高效、易于集成且快速上市的投影电容式触摸解决方案的触摸屏设计和触摸板。

4.2 显示控制

非常适合用于显示器上的触摸屏、控制面板、键盘和许多其他输入设备。

4.3 多领域市场

目标市场涵盖工业、医疗、家庭和办公室自动化以及消费市场等多个领域。

五、引脚分配与布局

5.1 引脚分配

MTCH6303的引脚分配详细且合理，每个引脚都有明确的功能。例如，IN系列引脚用于连接传感器的RX通道，RESET引脚用于复位，VSS和VDD分别为接地和电源输入引脚等。通过合理的引脚分配，确保了控制器与外部设备的稳定连接和数据传输。

5.2 布局要点

• 传感器通道命名：为避免传感器通道和控制器物理引脚之间的混淆，文档中对信号进行了明确的命名。当提及传感器时，通道标记为RX0 - RXn和TX0 - TXn；当提及MTCH6303控制器时，INn引脚连接到传感器上的任何RXn；当提及MTCH652升压转换器时，OUTn引脚连接到传感器上的任何TXn。
• 去耦电容：在电源引脚（如VDD、VSS）上使用去耦电容是必要的。推荐使用0.1 µF（100 nF）、10 - 20V的低等效串联电阻（低ESR）陶瓷电容，其谐振频率应在20 MHz及以上。电容应尽可能靠近引脚放置，最好与设备在电路板的同一侧。如果空间受限，电容可放置在PCB的其他层，但要确保引脚到电容的走线长度在四分之一英寸（6 mm）以内。若电路板存在高频噪声，可在上述去耦电容上并联一个0.01 µF至0.001 µF的陶瓷电容。
• 大容量电容：建议使用大容量电容来提高电源稳定性，典型值范围为4.7 µF至47 µF，且应尽可能靠近设备放置。

六、通信方式

6.1 USB/I²C选择

MTCH6303可以通过USB或 (I^{2} C^{TM}) 进行通信，通信协议的选择在启动时确定，并在控制器复位之前保持不变。通过COMM_SEL引脚可以在USB和 (I^{2} C^{TM}) 之间进行选择，将该引脚永久连接到VSS或VDD即可。具体设置如下：	设置	通信类型
VDD	(I^{2} C^{TM})
VSS	USB

6.2 通信概述

与MTCH6303的通信主要分为两类：

• 触摸数据：代表任何接触点当前状态的数据，这是触摸控制器的主要功能。
• 流式消息：基于数据包的消息协议，用于发送控制器命令、读写参数、接收诊断报告（启用时）、读取2D手势数据以及读取3D手势数据（需要MGC3130）。

这两种类型的数据都可以通过USB或 (I^{2} C^{TM}) 进行传输。

6.3 USB协议

• HID DIGITIZER（EP 1，触摸数据）：通过特定的字节格式传输触摸数据，每个触摸点的信息包括触摸ID、X和Y坐标等。
• HID GENERIC（EP 2，流式消息）：用于发送和接收一个或多个消息，其中包含报告ID、序列计数器等信息。

6.4 (I^{2} C^{TM}) 协议

• 概述：使用标准的基于寄存器的读写 (I^{2} C^{TM}) 协议，类似于许多其他设备（如温度传感器和串行EEPROM）。提供了可配置的中断引脚（INT），以实现灵活的集成选项。
• 读写寄存器：访问内存时， (I^{2} C) 事务必须首先以WRITE位设置的方式寻址芯片，然后写入一个代表要操作的内存地址的单字节数据。之后，主机可以选择写入“n”个数据字节或读取“n”个数据字节。由于设备的地址自动递增功能，在这些事务中可以读写多个字节。
• 设备寻址：设备的7位基地址为0x25，每次传输必须以该地址为前缀，并附加一个表示传输是主写入（0）还是主读取（1）的位。附加读写位后，第一个字节变为0x4A（写入）或0x4B（读取）。如果该地址与系统中的其他地址冲突，可能可以对设备进行定制，具体可联系Microchip支持获取更多信息。

七、消息协议

7.1 概述

MTCH6303的消息协议用于发送和接收流式消息，消息可以是完整的或部分（片段）的。消息以64的整体“块”大小进行传输，必要时需要进行相应的拆分。

7.2 消息定义

消息分为以REP开头的报告和以CMD开头的命令。报告是从MTCH6303发送到主机的，命令是从主机发送到MTCH6303的。例如，REP_Echo会回显接收到的“echo”命令的精确有效负载，CMD_ReadFlash允许主机读取设备的Flash内容。

7.3 设置和获取参数命令

• SET PARAMETER COMMAND：用于写入参数，需要指定参数的地址、数据和掩码。
• GET PARAMETER COMMAND：用于读取参数，只需指定参数的地址。

八、参数设置

8.1 操作方式

默认参数在启动时加载，这些值可以在运行时修改，但在复位时不会恢复。若要永久修改参数，需要使用MTCH6303 Utility导出并闪存新的配置。

8.2 参数表

文档中提供了详细的参数表，涵盖了多个模块的参数，如传感器通道数量、诊断掩码、活动模块、手势参数等。每个参数都有其默认值和描述，开发者可以根据实际需求进行调整。

8.3 特殊参数

• ACTIVE MODULES REGISTER（NVAM）：用于控制各个模块的开启和关闭，包括触摸解码逻辑、数字化器输出、自动基线功能、最佳频率选择算法等。
• DIAGNOSTIC MODULES REGISTER（NVDM）：用于控制诊断模块的开启和关闭，包括手势数据转发、诊断消息、自定义消息等模块。

九、通信示例

9.1 读取触摸数据

通过USB或 (I^{2} C^{TM}) 读取触摸数据的示例，展示了如何获取接触点的信息，包括触摸ID和坐标。

9.2 消息发送/接收

以设置当前RX通道数量的消息为例，详细说明了消息的创建、发送和接收过程，以及如何处理响应消息。

十、传感器设计考虑

10.1 传感器模式和PCB布局

关于触摸传感器模式，可参考mTouch® Design Center获取更多设计和布局信息，以及正确的PCB走线技术。在原型设计阶段，建议创建灵活的原型硬件，以便进行快速测试和调整。同时，为了防止传感器电平饱和，即使在原型阶段，也需要至少0.5 mm的塑料或玻璃覆盖层。在与LCD配合使用时，MTCH6303虽然集成了检测和最小化噪声影响的算法，但仍需选择低噪声的LCD和支持组件，并进行充分的测试。

10.2 传感器布局配置

MTCH6303设计用于与具有至少3 RX和3 TX传感器通道的传感器配合使用，使用单个MTCH652时，最大支持27 RX和19 TX通道。通过特定的寄存器可以配置传感器的布局。

10.3 传感器输出分辨率

MTCH6303在每个传感器通道之间插值256个离散点，并在每个边缘的中心线之外插值128个点。这些内部值在默认传感器配置下会在0 - 32767（0 - 0x7FFF）的范围内进行缩放。如果修改了TX或RX通道的数量，则需要更新相关的输出分辨率值。

10.4 传感器方向

为了便于PCB布局，传感器可以在任何方向上进行定向，可以反转任一轴或交换轴。通过特定的寄存器可以控制传感器的方向。

十一、固件更新

11.1 库加载器

MTCH6303设备仅内置了库加载器（引导加载程序），没有预加载PCAP触摸解码库。库加载器具有USB HID和 (I^{2} C) 接口，可用于将MTCH6303库上传到MTCH6303的闪存中。最新的MTCH6303 PCAP触摸解码库可以在MTCH6303 Utility下载中找到。

11.2 更新方式

• 通过MTCH6303 Utility上传：需要将MTCH6303通过USB连接到安装了MTCH6303 Utility的PC上进行更新。
• 通过嵌入式主机控制器上传：需要一个嵌入式主机控制器，使用MTCH6303引导加载程序命令进行上传。
• 快速时间编程（QTP）：对于大量具有唯一零件编号的预编程零件，可联系当地的Microchip销售办公室。

11.3 更新过程

固件更新过程涉及主机设备在MTCH6303处于引导加载程序模式时向其传输十六进制文件。在发送之前，需要解析十六进制文件并提取所有数据字节。更新过程包括进入引导加载程序、设置固件更新会话、对每个ROM页面执行SETADDRESS/ERASE/WRITE循环等步骤。

十二、操作模式

MTCH6303允许通过修改活动模块（NVAM）寄存器来启用和禁用控制器内的各个模块。节点控制通过NVAM与流式模式寄存器结合实现。通过流式模式寄存器（地址0x0082）可以配置控制器的整体操作模式，包括2D3D、PCAP_ONLY、GESTIC_BRIDGE、ACTIVE_STANDBY、2D_SLEEP_MODE等模式。

十三、应用命令

MTCH6303提供了一系列应用命令，如ECHO、FORCE_BASELINE、QUERY_VERSION、READ_FLASH、ENTER_BOOTLOADER、GESTIC_BRIDGE、SET_PARAMETER、GET_PARAMETER等。每个命令都有其特定的功能和使用方法，开发者可以根据需要使用这些命令来控制和配置MTCH6303。

十四、手势特性和参数

14.1 手势类型

MTCH6303的手势识别器支持滑动、滚动和点击等手势。为了使手势能够被识别，需要启用手势识别模块，并在诊断掩码中设置手势位。

14.2 滑动手势

MTCH6303可以检测从边缘向中心滑动和在传感器中心区域滑动两种类型的滑动。通过设置SwipeBorder和SwipeExtBorder两个参数来区分边缘和内部区域，避免用户意外启动滑动手势。同时，还需要满足一定的距离和时间要求才能触发滑动手势。

14.3 滚动手势

手势识别器根据移动手指的输入数据计算触摸点的中心和边界框的对角线长度，这些数据可用于应用程序中生成滚动、缩放等响应。

14.4 点击手势

支持检测表面上的短点击，包括重复点击和多指点击。通过设置TapTimeout和RepeatTimeout两个参数来区分单次点击和重复点击，同时设置TapBorder参数来避免边缘误触发。

十五、电气规格

15.1 绝对最大额定值

MTCH6303的绝对最大额定值包括环境温度、存储温度、引脚电压、电流等参数。超过这些额定值可能会对设备造成永久性损坏，因此在使用过程中需要严格遵守。

15.2 DC特性

包括电源电压、RAM数据保留电压、VDD启动电压、VDD上升速率等参数，这些参数确保了设备在正常工作时的稳定性。

15.3 AC特性和时序参数

定义了MTCH6303的交流特性和时序参数，如电容负载要求、外部时钟时序要求、 (I^{2} C^{TM}) 总线数据时序要求等。这些参数对于确保设备的正常通信和操作至关重要。

十六、订购和包装信息

16.1 订购信息

提供了不同封装类型的MTCH6303的订购信息，包括引脚数量、封装形式和包装方式。

16.2 包装信息

详细介绍了64引脚QFN和TQFP封装的包装标记信息和技术细节，包括尺寸、引脚间距、推荐的焊盘图案等。

MTCH6303投影电容式触摸控制器以其丰富的功能、出色的性能和灵活的配置选项，为嵌入式设计带来了更多的可能性。无论是在工业控制、智能家居还是消费电子等领域，它都能为用户提供优质的触摸交互体验。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师们更好地了解和应用MTCH6303。你在使用MTCH6303的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。