Zaloguj
Ogromną zaletą paneli sterowania zawierających przyciski pojemnościowe jest ciągłość ich powierzchni. Ze względu na częste i intensywne czyszczenie, nierzadko dosyć agresywnymi środkami, nadruki na klawiaturach membranowych czy gumowych klawiaturach kopułkowych często bledną. Ponadto mechaniczne elementy przełączników ulegają zmęczeniu lub nawet uszkodzeniu w czasie ich cyklu życia. W odróżnieniu od tego, przełączniki czy suwaki pojemnościowe mogą być uruchamiane kilka milionów razy bez żadnej awarii czy degradacji elementów. Nawet intensywne czyszczenie powierzchni nie ma wpływu na tego rodzaju interfejs.
Awarie przycisków, spowodowane zanieczyszczeniami powierzchni, takimi jak woda, wydzieliny czy pozostałości innych substancji, są ograniczane przez tego rodzaju czujniki do minimum. Dzięki specjalnemu procesowi pomiaru dotyk palca, nawet w rękawicy, może być niezawodnie rozpoznawany i wykrywany.
Dzięki pojemnościowym przyciskom i suwakom można dynamicznie sterować funkcjami urządzenia za pomocą jednego elementu. Interfejs użytkownika można dostosować graficznie, aby pokazać wszystkie funkcje i ich stany bezpośrednio pod interfejsem użytkownika.
Ze względu na dostosowaną do konkretnej aplikacji konfigurację, sensory pojemnościowe mogą przyjmować formy o dowolnym kształcie i rozmiarze. Powierzchnie o dowolnym kształcie, nie tylko płaskie, mogą być również wyposażone w czujniki pojemnościowe. W ten sposób operator korzysta z bardzo przejrzystego i ergonomicznego interfejsu. Inżynieria użyteczności jest niezwykle istotna w przypadku aparatury medycznej. Przyciski te mają ponadto dodatkowe zalety – sensor pojemnościowy może już wykryć zbliżający się do niego palec przed faktycznym dotknięciem pola. Pozwala to na szybką reakcję w sytuacjach, w których liczy się czas. Możliwe jest również użycie dodatkowych elementów wibracyjnych lub sygnałów akustycznych, aby dać operatorowi haptyczną i dźwiękową informację zwrotną podczas korzystania z urządzenia.
W artykule skupimy się na kluczowym elemencie interfejsu z czujnikami pojemnościowymi – konwerterowi pojemności na wartość cyfrową (CDC), która istotnie ułatwia zastosowanie przycisków pojemnościowych w systemach takich, jak urządzenia medyczne.
Kontroler pojemnościowego czujnika dotyku — nowatorska metoda kontroli urządzeń przez użytkowników
Pojemnościowy czujnik dotykowy zapewnia interfejs użytkownika w postaci przycisku, suwaka, kółka przewijania lub innych form podobnych do przykładów pokazanych na rysunku 1. Każdy niebieski obszar geometryczny, pokazany na rysunku reprezentuje elektrodę czujnika na płytce drukowanej (PCB), która tworzy jedną okładkę wirtualnego kondensatora. Drugą płytkę tworzy palec użytkownika, który jest zasadniczo uziemiony w stosunku do wejścia czujnika.
Rodzina kontrolerów AD7147/AD7148 CapTouch, została zaprojektowana do aktywacji i współpracy z pojemnościowymi czujnikami dotykowymi. Układ kontrolujący przyciski pojemnościowe mierzy zmiany pojemności czujników jednoelektrodowych. Urządzenie najpierw podaje na elektrodę sygnał wzbudzenia, aby naładować okładkę kondensatora. Kiedy obiekt, taki jak palec użytkownika, zbliża się do czujnika, tworzy się wirtualny kondensator, a użytkownik działa, jak druga okładka kondensatora (rysunek 2). Pojemność jest mierzona za pomocą zintegrowanego przetwornika pojemnościowo-cyfrowego (CDC).
Układ CDC, zdolny do wykrywania zmian pojemności czujników zewnętrznych, wykorzystuje te informacje do rejestracji aktywacji czujnika. Układy scalone AD7147 i AD7148, z odpowiednio trzynastoma i ośmioma wejściami dla czujników pojemnościowych, mają wbudowane moduły kalibracyjne, które kompensują zmiany mierzonej wartości, spowodowane zmianami w otoczeniu, zapewniając w ten sposób, że nie występują fałszywe detekcje naciśnięcia przycisku ze względu na np. zmiany temperatury czy wilgotności.
Kontrolery przycisków pojemnościowych oferują różne tryby pracy, programowalne przez użytkownika sekwencje konwersji i bardzo elastyczne funkcje sterowania. Te cechy sprawiają, że idealnie nadają się do funkcji czujników dotykowych o wysokiej rozdzielczości, takich jak suwaki czy kółka do przewijania, jakie pokazane są na rysunku 1. Dzięki rozbudowanym i elastycznym funkcjom układów CDC, potrzebne jest tylko minimalistyczne oprogramowanie do obsługi przycisków dotykowych. Co więcej, aplikacje z czujnikami przyciskowymi mogą być dzięki nim realizowane całkowicie za pomocą wbudowanej cyfrowej logiki bez żadnych wymagań co do oprogramowania.
Zasada działania sensorów pojemnościowych
Pojemność to zdolność kondensatora do magazynowania energii w polu elektrycznym. W swojej postaci ideowej, kondensator zawiera dwie równoległe płytki (rysunek 3).
Pojemność C jest miarą ładunku Q przechowywanego w kondensatorze przy danym napięciu V i jest obliczana wyrażeniem zapisanym na równaniu:
Kondensator z płytą równoległą składa się z dwóch przewodzących płytek, które są do siebie równoległe. Płytki te charakteryzuje się ich parametrami mechanicznymi – powierzchnią, tutaj określaną, jako a × b oraz odległością pomiędzy płytkami (okładkami) kondensatora – d. Pomiędzy tymi okładkami znajduje się ośrodek dielektryczny, czyli taki, który nie przewodzi prądu. Charakteryzuje się on tzw. stałą dielektryczną εr. Pojemność, na podstawie tych parametrów, jest obliczana zgodnie z równaniem:
gdzie ε0 jest przenikalnością próżni.
Zintegrowany przetwornik pojemność-na-wartość-cyfrową podaje sygnał wzbudzenia do jednej płytki kondensatora i mierzy ładunek zgromadzony w kondensatorze. Wtedy wynik cyfrowy jest dostępny dla układów zewnętrznych. Cztery typy czujników pojemnościowych, pokazane na rysunku 4, różnią się sposobem zastosowania wzbudzenia.
Ponieważ pojemność czujnika jest określana przez a, b, d i εr, zmiana wartości któregokolwiek z tych parametrów pozwala na zastosowanie technologii CDC do bezpośredniego pomiaru wartości pojemności, do wykrywania np. naciśnięcia przycisku, ale i nie tylko. Istnieje wiele zastosowań sensorów pojemnościowych, z których część zostanie omówiona poniżej. Wszystko zależne jest od konfiguracji sensora. Na przykład, jeśli a, b oraz εr są stałe, wyjście z CDC jest odwrotnie proporcjonalne do odległości między dwoma przewodami.
Aplikacje sensorów pojemnościowych i konwerterów CDC
Jak opisano powyżej, pomiar pojemności ma wiele ciekawych aplikacji, zwłaszcza w tak wymagających sektorach, jak urządzenia medyczne. W dalszej części tego rozdziału, przyjrzymy się bliżej szeregowi ciekawych i nie zawsze oczywistych sensorów pojemnościowych, które zawierają przetworniki pojemność na wartość cyfrową.
Rodzina układów ADC714x
Zanim przejdziemy do aplikacji przetworników CDC, przyjrzyjmy się flagowej konstrukcji tego rodzaju firmy Analog Devices – rodzinie scalonych przetworników pojemność na wartość cyfrową ADC714x. Są to układy zaprojektowane specjalnie do pomiaru pojemności w aplikacjach interfejsu użytkownika. Sercem CDC jest 16-bitowy przetwornik typu sigma-delta (CDC), który przetwarza sygnały pojemnościowe (podawane przez macierz komutującą – multiplekser) na wartości cyfrowe. Wynik konwersji jest przechowywany w rejestrach układu. Przetworniki te mają również wbudowane źródło wzbudzenia, którym jest fala prostokątna o częstotliwości równej 250 kHz.
Procesor odczytuje wyniki pomiaru przez interfejs szeregowy kompatybilny z SPI lub I2C. Układ ma do 14 pinów wejściowych. Interfejs szeregowy wraz z wyjściem przerwania umożliwia łatwe podłączenie układu do dowolnego mikrokontrolera. Na rysunku 5 pokazano schemat blokowy układu AD7142.
Układy te współpracują z maksymalnie 14 czujnikami pojemności, ułożonymi w dowolnej konfiguracji. Czujniki takie składają się z elektrod na 2- lub 4-warstwowej płytce drukowanej, które łączy się bezpośrednio z układem scalonym. Można by pomyśleć, że tego rodzaju architektura naraża układ na uszkodzenie wyładowaniem ESD, jednak w rzeczywistości nie jest to problem, ponieważ w systemie elektrody są osłonięte cienką warstwą ochronnego tworzywa. Dzięki temu elektrody są odporne na brud czy wnikanie płynów. Grubość tworzywa może się różnić w zależności od aplikacji (np. wymaganej odporności na wyładowania elektrostatyczne). W takich sytuacjach czujnik można dostroić, aby skompensować zmiany grubości tworzywa sztucznego. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach „mokrych” lub tam, gdzie mata sensoryczna może być narażona na częste działanie płynów, wilgoci i środków czyszczących, jak na przykład w urządzeniach medycznych.
Przetworniki te można skonfigurować do współpracy z dowolnym zestawem czujników poprzez zaprogramowanie rejestrów układu. Można również zaprogramować układ do realizacji funkcji takich jak uśrednianie, automatyczna regulacja poziomów, czy sekwencyjny odczyt pojemności. AD714x zawierają w sobie również logikę cyfrową i 528 słów pamięci RAM, które są używane do kompensacji i kalibracji przycisków. Jedną z kluczowych funkcji AD714x jest kontrola czułości, która nadaje różne ustawienia czułości każdemu elementowi, kontrolując, jak „miękki” lub „twardy” będzie każdy czujnik. Niezależne ustawienia progów aktywacji, które określają, kiedy czujnik jest aktywny, mają kluczowe znaczenie przy wykorzystywaniu czujników o różnych rozmiarach w jednym systemie. Weźmy na przykład aplikację, która ma duży przycisk o średnicy 10 mm i mały przycisk o średnicy 5 mm. Użytkownik oczekuje, że oba aktywują się z tym samym naciskiem, ale pojemność, która jest związana z obszarem czujnika, będzie różna. Posiadanie niezależnych ustawień czułości dla każdego czujnika rozwiązuje ten problem.
Układy te mają wbudowany bardzo ciekawy mechanizm kompensacji zmiany parametrów układu w czasie. Przetwornik mierzy poziom pojemności w sposób ciągły. Gdy czujnik nie jest aktywowany, wartość jest przechowywana, jako bazowa. Gdy użytkownik zbliży się do czujnika pojemności lub go dotknie, zmierzona pojemność zmienia się. Wartości progowe są magazynowane w pamięci układu. W idealnej sytuacji wartości bazowe nie zmieniają się. W rzeczywistości pojemność otoczenia zmienia się stale i nieprzewidywalnie z powodu zmian temperatury czy wilgotności. Jeśli wartość pojemności otoczenia zmieni się wystarczająco, może to wpłynąć na aktywację czujnika – utrudnić lub uniemożliwić jego aktywację lub, co nawet gorsze, fałszywie aktywować system i zablokować się w „naciśniętym” stanie, aż warunki otoczenia zmienią się.
Przetwornik radzi sobie z zmianą poziomów pojemności otoczenia. Układ śledzi wszelkie zmiany poziomu pojemności otoczenia, utrzymując poziom aktywacji w stałej odległości od wartości bazowej. Wartości te przechowywane są w pamięci RAM przetwornika CDC, dzięki czemu nie jest wymagana żadna interakcja ze strony procesora czy użytkownika.
Przyciski
Jak wspomniano wcześniej, ścieżki czujników mogą mieć dowolną liczbę różnych kształtów i rozmiarów. Kształty przycisków, kółek, paska przewijania, joypada czy touchpada można rozmieścić, jako ścieżki na płytce drukowanej czujnika. Rysunek 6 pokazuje wybór przykładowych układów czujników pojemnościowych. Dla projektanta interfejsu dostępnych jest wiele opcji implementacji interfejsu użytkownika, od prostej wymiany przycisków mechanicznych na czujniki w postaci przycisków pojemnościowych (rysunek 6a) po eliminację przycisków za pomocą joysticka z ośmioma pozycjami wyjściowymi (6b) lub kółka przewijania (6d), które daje do 128 pozycji wyjściowych.
Liczba czujników, które można wdrożyć za pomocą jednego urządzenia, zależy od rodzaju sensora. Przetwornik AD7142 ma 14 pinów wejściowych i 12 kanałów konwersji. AD7143 ma 8 wejść i 8 kanałów konwersji. W tabeli 1 zestawiono liczbę pinów wejściowych i kanałów konwersji wymaganych, dla każdego typu czujnika. Można łączyć dowolną liczbę czujników na jednym układzie, do limitu ustalonego przez liczbę dostępnych wejść i kanałów. Pomiary są wykonywane na wszystkich podłączonych czujnikach sekwencyjnie. Wszystkie czujniki można zmierzyć w ciągu 36 ms, co pozwala zasadniczo na jednoczesne wykrycie stanu każdego czujnika – ponieważ aktywacja lub dezaktywacja czujnika w prędkości powyżej 40 ms jest poza zakresem umiejętności nawet najszybszego użytkownika.
Pomiar poziomu cieczy
W wielu zastosowaniach, takich jak np. transfuzje czy wlewy dożylne, należy mierzyć ilość użytego płynu lub przerwać przepływ przed opróżnieniem butelki infuzyjnej. Aby zaoszczędzić czas personelowi medycznemu, automatyczny pomiar poziomu cieczy może pomóc wyeliminować potrzebę ręcznych kontroli aparatury bądź uprościć stosowane obecnie systemy.
Podstawową zasadę działania pojemnościowego pomiaru poziomu cieczy pokazano na rysunku 7. Układ zawiera kondensator składający się z równoległych płytek, które ściśle przylegają do zewnętrznej ścianki np. butelki infuzyjnej, czy innego pojemnika, koniecznie wykonanego z tworzywa sztucznego lub szkła – musi być to dielektryk.
Okładki te sięgają blisko dna pojemnika. Wraz ze zmianą poziomu cieczy infuzyjnej zmienia się ilość i rodzaj materiału dielektrycznego między płytami, powodując w ten sposób zmianę pojemności. Aby umożliwić stosowanie różnych substancji infuzyjnych o różnych stałych dielektrycznych bez konieczności rekalibracji systemu, drugi czujnik pojemnościowy umieszczony w dolnej części pojemnika działa, jako kanał odniesienia do wykonywania pomiarów proporcjonalnych – w stały sposób mierzy on pojemność (a co za tym idzie – stałą dielektryczną materiału pomiędzy okładkami, bo ich geometria nie ulega zmianie).
W tego rodzaju aplikacji idealnie sprawdzi się 24-bitowy scalony przetwornik CDC AD7746 z dwoma kanałami do pomiaru pojemności – tyle wystarczy, aby obsłużyć dwa sensory pojemnościowe w systemie. Wysoka rozdzielczość przetwornika pozwoli na precyzyjny pomiar poziomu cieczy. Jeżeli dany moduł ma zawierać więcej monitorowanych pojemników, konieczne może być sięgnięcie po układ z większą liczbą kanałów pomiarowych.
Wykrywacz ciała
W przypadku urządzeń przeznaczonych do pracy w pobliżu ludzkiej skóry, takich jak te pokazane na rysunku 8, często korzystne jest posiadanie informacji, o jakości kontaktu między powierzchnią urządzenia a skórą pacjenta, przed aktywacją urządzenia lub rozpoczęciem pomiarów. Zakres zastosowań końcowych może obejmować sondy medyczne, która muszą przylegać do skóry, czujniki biopotencjałów lub nawet obudowę utrzymującą rurkę cewnika na miejscu.
Aby uzyskać te dodatkowe informacje, kilka pojemnościowych elektrod sensorowych (oznaczonych na rysunku 8 na niebiesko), można osadzić bezpośrednio w plastikowej obudowie urządzenia na etapie formowania wtryskowego podczas produkcji. Gdy informacje z elektrod są dostępne, można zastosować prosty algorytm działający na kontrolerze głównym, aby określić, czy wszystkie elektrody czujnika mają prawidłowy kontakt ze skórą.
Przykłady pokazane na rysunku 8 zawierają czujniki pojemnościowe zastosowane w niekonwencjonalny sposób: użytkownik umieszcza urządzenie zawierające pojemnościowe elektrody czujnikowe na ciele, w przeciwieństwie do tradycyjnych aplikacji z czujnikami pojemnościowymi, w których to człowiek zwykle inicjuje kontakt z elektrodami sensorów przez dotyk, na przykład palca. Tworzenie aplikacji pokazanych na rysunku 8 jest dość proste przy użyciu omawianych tutaj konwerterów CDC.
Wykrywacz potu
W niektórych urządzeniach medycznych, testujących kondycję czy aplikacjach fitnesowych istnieje potrzeba wykrywania czy nawet pomiaru potu na powierzchni ludzkiego ciała. Zwykle wykonuje się to poprzez pomiar przewodności elektrycznej skóry. Jeśli jednak pomiar musi być wykonany bez kontaktu galwanicznego, funkcja ta może być realizowana poprzez wykrywanie wilgoci w pobliżu ciała człowieka za pomocą czujnika pojemnościowego.
Kiedy ludzie się pocą, wilgotność (a więc i stała dielektryczna) w pobliżu ludzkiej skóry wzrasta. Bezkontaktowa elektroda w sąsiedztwie skóry może być użyta do pomiaru wynikającej z tego zmiany pojemności.
Przydatne może być dodanie drugiego czujnika pojemności do pomiaru wilgotności otoczenia i zastosowanie go do kompensacji pomiarów, co przełoży się na zwiększenie dokładności pomiaru, a także uniezależni go od parametrów otoczenia.
Monitor oddechu
Pomiar częstości oddechów jest ważnym elementem w systemach monitorowania stanu pacjenta, na przykład na szpitalnych oddziałach ratunkowych.
W omówionym poniżej podejściu, pokazanym na rysunku 9, płytkę wzbudzającą umieszcza się z tyłu pacjenta, podczas gdy pasek elektrod sensorowych mocuje się po prawej stronie klatki piersiowej pacjenta. Gdy płuca wypełniają się i opróżniają, wynikające z tego ruchy klatki piersiowej zmieniają odległość między tymi dwiema płytkami.
Stała dielektryczna również zmieni się, z powodu złożonych czynności fizjologicznych podczas oddychania. Te zmiany pojemności mogą być mierzone za pomocą przetworników pojemności na wartość cyfrową i monitorowane niemalże w czasie rzeczywistym.
Powodem, dla którego elektroda czujnika jest umieszczona po prawej stronie klatki piersiowej pacjenta, jest to, że ta pozycja ma najmniejszy wpływ na inne czynności fizjologiczne. Można jednak uzyskać więcej informacji na temat funkcji organizmu, umieszczając wiele elektrod czujnika w różnych pozycjach na klatce piersiowej pacjenta. Może to być interesujący temat do dalszych badań.
Miernik ciśnienia
W aplikacjach do pomiaru ciśnienia – na przykład pomiaru ciśnienia tętniczego krwi przy użyciu nadmuchiwanego mankietu – ważnym zadaniem jest pomiar ciśnienia powietrza w mankiecie. Czujnik pojemnościowy może być z łatwością używany w tego rodzaju aplikacjach pomiaru ciśnienia.
Jak pokazano na rysunku 10, membrana czujnika ciśnienia jest zasadniczo wykonana z dwóch płytek, które mogą być okładkami sensorów pojemnościowych. W miarę wywierania nacisku na czujnik, płytki pojemnościowe zbliżają się do siebie. Zmniejszona odległość między płytami zwiększa pojemność.
Czujnik temperatury może być dodatkowo użyty do pomiaru temperatury czujnika w celu skompensowania zmiany jego charakterystyki wraz z temperaturą. Rodzina układów AD774x ma wewnętrzny czujnik temperatury do pomiaru temperatury oraz dodatkowy kanał ADC do pomiaru zewnętrznego napięcia, którego można użyć do pomiaru temperatury sensora.
Podsumowanie
Ten artykuł stanowi krótkie wprowadzenie do postępów w technologii CDC na przykładzie układów produkowanych przez firmę Analog Devices. Wskazuje na ogromny potencjał technik konwersji pojemności do wartości cyfrowe w zastosowaniach medycznych. Jednak projekt czujnika, w tym wzór, rozmiar i położenie sensorów oraz powiązany z nim szczegółowy projekt obwodu elektronicznego powiązane są z potrzebą głębokich badań, kompleksowych eksperymentów i skutecznych testów. Są one krytycznie zależne od charakteru każdej aplikacji, więc niech artykuł ten stymuluje kreatywność inżynierów w zakresie poprawiania użyteczności systemu, sugerując tutaj tylko pewne możliwości, oferowane przez systemy z przetwornikami CDC.
Nikodem Czechowski, EP
Źródła
https://bit.ly/3lIFELE
https://bit.ly/3zq7TmX
https://bit.ly/39nP89d
https://bit.ly/2XJEF5S
