Teclados por campo eléctrico
1. Introducción:
El ingreso de datos a un equipo es algo normal en infinidad de aplicaciones, desde simples sistemas de control de acceso o paneles de alarma hasta terminales bancarias (ATM). Si el ambiente no es agresivo y no hay que protegerse frente a actos de vandalismo, existen tecnologías mecánicas probadas. Pero si el ambiente es agresivo (por ejemplo un ámbito industrial) o está abierto a un acceso público y por ello sometido al riesgo de actos destructivos, es conveniente buscar soluciones más robustas, y allí los teclados por campo eléctrico son sistemas de muy alta confiabilidad, vida útil ilimitada, y gracias a tecnologías recientemente disponibles, de costos competitivos con los teclados mecánicos.
Como áreas de aplicación de esta tecnología se puede mencionar:
• Paneles de control de electrodomésticos
• Teclados con contactos SI/NO, deslizantes lineales y rotativos (tipo iPod)
• Sensado de nivel o perdidas de líquidos
• Sensado de hielo en sistemas antiescarcha
• Sistemas de control y seguridad industrial
• Detección de proximidad
• Electromedicina
La idea subyacente en un teclado de campo eléctrico es simple:
• Entre dos electrodos cualesquiera existe una capacidad que es función del tamaño de los electrodos, su proximidad, y la constante dieléctrica del medio entre los electrodos.
• Si uno de esos electrodos (al que llamaremos excitador) es excitado con una señal de alterna, se producirá un acoplamiento de alterna con el otro electrodo (el electrodo sensor), que es función de la impedancia de esa capacidad inter-electrodo a esa frecuencia.
• Si se cambia la constante dieléctrica del medio (por ejemplo, porque se apoya un dedo entre los electrodos) este acoplamiento de alterna variará su impedancia. Por ejemplo, la constante dieléctrica del tejido humano es mayor que la del aire, por lo que la capacidad aumentará y la impedancia bajará.
• Si la amplitud de esta señal acoplada es medida antes y después, por simple comparación es posible fijar un umbral y detectar la proximidad del dedo.
Esta simple descripción, si bien suficiente para comprender el principio de operación, deben también considerarse que en los electrodos se inducen también otras señales interferentes, desde la omnipresente frecuencia de línea (50Hz o 60Hz, según el país) y sus armónicos, hasta señales de RF como las que puede emitir un celular, o el mismo ruido electromagnético (EMI) generado dentro del equipo.
Incluso, en un teclado donde las teclas estén suficientemente próximas, el acoplamiento (crosstalk) entre distintos electrodos excitadores con un electrodo sensor debe ser tenido en cuenta, así como que al aproximar un dedo a un par de electrodos, se produce también una alteración de la constante dieléctrica del espacio vista en los electrodos vecinos.
También vale tener en cuenta que en vez de usar un electrodo sensor por cada tecla, estos electrodos pueden distribuirse en forma de matriz, con más de un electrodo en el área de
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2. Componentes electrónicos para el desarrollo de teclados por
campo eléctrico:
Para desarrollar teclados por campo eléctrico puede usarse soluciones discretas, aunque Freescale, Analog Devices y Tyco Electronics ofrecen dispositivos especializados para la tarea.
2.1. Soluciones de Freescale:
En el caso de Freescale, los dispositivos de sensado de campo eléctrico pueden encontrarse en Sensors..Electric Field Imaging, y se componen del MC33794 y del MC34940. Estos dispositivos no poseen conversor A/D, aunque sí un detector y un filtro pasabajos, de donde sale la señal analógica hacia un controlador externo, que es el que debe contar con el A/D.
• El MC33794 no está especialmente orientado al diseño de teclados sino a aplicaciones automotrices donde se desea detectar la presencia de un cuerpo (ya sea en alarmas o en sistemas de control de AirBag), tiene 9 electrodos sensores y 2 electrodos de referencia, un driver de blindaje para poder colocar el dispositivo lejos de los sensores, un regulador de 5V capaz de alimentar
un microcontrolador u otros circuitos externos, interfase analógica y digital hacia ese microcontrolador, y un generador de 125kHz de elevada pureza espectral, cuya frecuencia puede ajustarse mediante una resistencia externa. • El MC34940 (cuyo esquema básico se muestra en la figura) está más orientado a aplicaciones de teclado donde el costo es crítico, soporta 7 electrodos, y posee un driver de blindaje para poder colocar el dispositivo lejos de los sensores, interfase analógica y digital hacia un
microcontrolador, y un generador de 120kHz de elevada pureza espectral, cuya frecuencia puede ajustarse mediante una resistencia externa.
2.2. Soluciones de Analog Devices:
En el caso de Analog Devices, el AD7142 es un dispositivo mucho más complejo, y ADI lo denomina “Programmable capacitance-to-digital converter” por su capacidad de medir pequeñisimos cambios de capacidad (mejor que una milésima de pF femtoF) gracias a su conversor A/D Sigma/Delta interno de 16 bits de resolución, operando a 240kHz.
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Posee una interfase a microcontrolador totalmente digital (SPI en el AD7142 o I2C en el AD7142-1). • No requiere partes de calibración externos. • Tiene 14 canales de entrada de electrodos sensores. • Realiza el barrido automático de los sensores, y actualiza las medidas cada 30Hz.
• Con lógica de calibración
automática basada en una memoria RAM interna de calibración. • Puede realizar la compensación automática de cambios ambientales, adaptando consecuentemente los umbrales y la sensibilidad, ientras el teclado no es usado • Puede generar interrupciones en el caso de superarse umbrales
• Dispone de una puerta de I/O de propósito general
• En encapsulado LFCSP de 32 patas, se alimenta con un voltaje entre 2.7V y 3.3V y tiene un consumo menor a 1mA.
2.3. Soluciones de Tyco
Electronics:
Tyco Electronics denomina Touch Control Technology (TCT) a una solución patentada para la realización de teclados de contacto, causado por acoplamiento capacitivo o resistivo.
A diferencia de los casos previos, y gracias a la gran cantidad de empresas que compoenen a Tyco Electronics, en este caso se puede proveer no solo los componentes electrónicos sino también el teclado, que puede ser cualquier material dieléctrico, como vidrio, plástico, policarbonato, mármol o madera, lo que los hace apto para ambientes agresivos;
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En el área de los semiconductores, Tyco ofrece distintos microcontroladores en función de cuál sea el numero de teclas a a sensar, o si se necesita un contacto deslizante. La respuesta de estos dispositivos es mejor a los 40ms (para un teclado de 15 teclas). En el caso de desearse una barra deslizante, Tyco ofrece el Micro Slider Key Controller, con código 1710091-1.
3. Sobre placas de evaluación:
3.1. De Freescale:
La solución de Freescale es llamada Touch Panel System (TPS), se compone de una tarjeta, llamada Analyzer board y un panel de test de contactos de distintos tipo. El Analyzer Board contiene:
• un MC68HC908QB8, un sensor MC33794 y una interfase MC33993
• una fuente dobladora para generar los 10V del sensor
• un amplificador operacional con control de ganancia y offset
• un buzzer piezoelectrico, dos displays de 7 segmentos y seis LED
• conector MON08 para las tareas de debug de los programas del microcontrolador
• varias llaves
3.2. De Analog Devices:
Teclas (max) Código Tyco 10 1710094-1 15 1710084-1 22 1710098-1 36 1710095-1 56 1710085-1
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Analog Devices ofrece una placa de evaluación llamada EVAL-AD7142/EVAL-AD7142-1EB, para evaluar el comportamiento del AD7142/AD7142-1. Esta placa es evaluada desde su conexión USB a una PC, a través de la cual es posible leer y escribir datos.
La tarjeta contiene un AD7142/AD7142-1 conectado a 7 sensores capacitivos:
• Dos sensores de deslizamiento (sliders)
• Un switch de 8 posiciones
• Cuatro botones
Tanto las barras deslizantes como los botones tienen distintas formas y tamaños, de modo de poder evaluar alternativas.
Dentro de la tarjeta hay también un microcontrolador ADuC841, usado para la configuración y control del AD7142/AD7142-1 través de la interfase SPI o I2C, y varios conectores, switches y LEDs para facilitar el proceso de desarrollo.
4. Bibliografía:
• Freescale Semiconductor. AN1985 Application Note: Touch Panel Applications Using MC34940/MC33794 E-Field Ics. 2006, 24 páginas, Rev. 3.0.
• Freescale Semiconductor. MC33794 Electric Field Imaging Device, Technical Data.2005, 24 páginas, Rev 8.0,
• Freescale Semiconductor. MC34940 Electric Field Imaging Device, Technical Data. 2006, 11 páginas, Rev 3.0.
• Freescale Semiconductor. Touch Panel System Using MC33794 E-Field Sensor, Reference Manual. 2005, 52 páginas, Rev 1.0.
• Freescale Semiconductor. RDTOUCHEFRM: Touch Panel System Using MC34940/MC33794 E-Field Sensors, Reference Manual. 2006, 52 páginas, Rev 1.0.
• Freescale Semiconductor. SITOUCHEFUG: Touch Panel System Using E-Field Sensor Setup Instructions. Reference Design Documentation for the RDTOUCHEFRM, User’s Guide. 2006, 8 páginas, Rev. 1.0.
• Analog Devices. EVAL-AD7142/EVAL-AD7142-1EB, Evaluation Board for AD7142/AD7142-1 Capacitive-to-Digital Converter. 2006, 32 páginas, Rev.0.
• Analog Devices. Programmable Capacitance-to-Digital Converter with Environmental Compensation, Preliminary Technical Data. 2005, 64 páginas, Rev.PrD.
• Analog Devices. AN-829 APPLICATION NOTE. Environmental Compensation on the AD7142: The Effects of Temperature and Humidity on Capacitance Sensors. 2005, 8 páginas, Rev.0.
• Analog Devices. AN-830 APPLICATION NOTE: Factors Affecting Sensor Response. 2005, 8 páginas, Rev.0.
• Analog Devices. AN-833 APPLICATION NOTE. Using the AD7142 and a Capacitive Sensor to Develop a Single-Push Digital Shutter Button. 2005, 2 páginas, Rev.0.
• Tyco Electronics. Touch Control Technology (TCT). Doc.No. 1654570. 2004, 2 páginas, Rev.07/04.
• Tyco Electronics. Application Specification TOUCH CONTROL TECHNOLOGY (TCT) MICROCONTROLLERS. Doc.No. 114-47010, 2004, 19 páginas, Rev F.
