8.1 電容觸摸簡(jiǎn)介

8.1.1 電容觸摸概述

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵正在逐步從設(shè)備上面消失，這個(gè)原因主要有機(jī)械按鍵由于是采用機(jī)械接觸的方式，壽命比較短，從用戶(hù)體驗(yàn)上看，機(jī)械按鍵也顯得操作復(fù)雜，對(duì)比現(xiàn)在的電容按鍵，電容按鍵具有壽命長(zhǎng)，因?yàn)椴淮嬖跈C(jī)械接觸，占用空間少，以前的機(jī)械按鍵在設(shè)計(jì)外殼的時(shí)候需要考慮尺寸，現(xiàn)在換成電容按鍵后這個(gè)問(wèn)題不再需要考慮。

8.1.2 檢測(cè)原理

常規(guī)的檢測(cè)方式一般是通過(guò)計(jì)算電容放電時(shí)間來(lái)判斷是否有手指按下，這是因?yàn)槭种笗?huì)與線(xiàn)路板的銅箔接觸面上產(chǎn)生電容效應(yīng)，當(dāng)手指沒(méi)有放在銅箔上的時(shí)候，銅箔與PCB之間存在雜散電容，這兩個(gè)狀態(tài)的電容值差別很大，檢測(cè)原理如下圖所示。

在檢測(cè)之前首先用開(kāi)關(guān)將電容Cs里面的電荷放盡，然后此時(shí)CPU開(kāi)始計(jì)算Cs的充電時(shí)間，這一部分是采用捕捉信號(hào)來(lái)測(cè)量，盡管單片機(jī)屬于數(shù)字電路，但是數(shù)字電路的邏輯電平也是有電壓限制的，比如在3.3V供電環(huán)境下，當(dāng)電壓大于2.4V則被認(rèn)為是邏輯電平1，當(dāng)電壓小于0.4V則被認(rèn)為是邏輯電平0，單片機(jī)的輸入捕獲功能來(lái)判斷輸入信號(hào)的電平是否為邏輯電平1，如果檢測(cè)到邏輯電平1，則認(rèn)為電容此時(shí)充電達(dá)到了2.4V以上，將這個(gè)時(shí)間記錄下來(lái)，當(dāng)手指放在銅箔上的時(shí)候，相當(dāng)于增加了Cs的容值，此時(shí)我們繼續(xù)進(jìn)行輸入捕獲采樣，將這個(gè)捕獲的時(shí)間記錄下來(lái)，兩個(gè)時(shí)間求差值，這個(gè)差值高于某個(gè)閾值的時(shí)候就可以認(rèn)為此時(shí)手指按下了電容按鍵，用這種方式就可以實(shí)現(xiàn)虛擬按鍵的使用了。這種檢測(cè)原理實(shí)際是采用了在電路分析中學(xué)習(xí)到的RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)可以得出電容的充電公式為

其中Vc表示電容的充電電壓，VDD為RC電路的輸入電壓，R為電阻的阻值，C為充電電容的容值，通過(guò)這個(gè)公式我們可以反推得到充點(diǎn)電容的容值。也就是說(shuō)我們可以利用這個(gè)公式實(shí)現(xiàn)電容的測(cè)量。

8.1.3 預(yù)備知識(shí)

首先我們?cè)谶M(jìn)行電容觸摸檢測(cè)的時(shí)候需要用到STM32的輸入捕獲功能，從這一章開(kāi)始，關(guān)于寄存器文件的添加，驅(qū)動(dòng)文件的添加不再作為重點(diǎn)，重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)為程序的編寫(xiě)及小算法的編寫(xiě)。

   輸入捕獲的工作原理如下圖所示。

首先設(shè)置定時(shí)器的輸入通道為上升沿捕獲，檢測(cè)到上升沿之后，將計(jì)數(shù)寄存器CNT中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CCRx1中并清空CNT的數(shù)據(jù)，然后設(shè)置定時(shí)器的輸入通道為下降沿捕獲，檢測(cè)到下降沿后將計(jì)數(shù)寄存器CNT中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CCRx2中并清空CNT的數(shù)據(jù)，此時(shí)將CCRx2的值與CCRx1的值做差值就可以得到1個(gè)波形中高電平的時(shí)間，由于這兩個(gè)數(shù)值獲取的過(guò)程中，會(huì)由于高電平時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致定時(shí)器產(chǎn)生多次中斷，這個(gè)多次中斷的值記為N，此時(shí)高電平的時(shí)間計(jì)算公式如下所示：

其中M為定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期，N為定時(shí)器的溢出次數(shù)，ARR為自動(dòng)重裝載計(jì)數(shù)器的值，CCRx2為捕獲到的數(shù)據(jù)。

8.2 常用寄存器

8.2.1 捕獲/比較寄存器1：TIMx_CCMR1

ICxF[3:0]：輸入捕獲x濾波器（定義輸入采樣頻率及數(shù)字濾波器長(zhǎng)度）

ICxPSC[1:0]：輸入/捕獲x預(yù)分頻器（一旦CCxE=0，則預(yù)分頻器復(fù)位）

00：每1個(gè)事件觸發(fā)一次捕獲

   01：每2個(gè)事件觸發(fā)一次捕獲

   10：每4個(gè)事件觸發(fā)一次捕獲

   11：每8個(gè)事件觸發(fā)一次捕獲

CCxS[1:0]：捕獲/比較x選擇（用于定義通道x輸入還是輸出）

00：輸出模式

   01：輸入模式，映射在TI1上

   10：輸入模式，映射在TI2上

   11：輸入模式，映射在TRC上，此模式引用于內(nèi)部觸發(fā)器輸入被選中時(shí)

8.2.2 捕獲/比較使能寄存器：TIMx_CCER

CCxP：輸入/捕獲x輸入/輸出極性

通道在輸出模式下

0：高電平有效

   1：低電平有效

通道在輸入模式下

0：不反相，上升沿觸發(fā)

   1：反相，下降沿觸發(fā)

CCxE：輸入/捕獲x輸入/輸出使能

通道在輸出模式下

0：關(guān)閉輸出

   1：開(kāi)啟輸出

通道在輸入模式下

0：禁止捕獲

   1：使能捕獲

8.3 電容觸摸例程

現(xiàn)在PA1端口接一個(gè)觸摸按鍵（一塊銅箔），利用PA1的觸摸按鍵控制PA0端口的LED狀態(tài)，按下時(shí)LED點(diǎn)亮，抬起時(shí)LED熄滅。

（1）新建基礎(chǔ)工程，并創(chuàng)建tpad.c，tpad.h，led.c和led.h文件，并導(dǎo)入工程，如下圖所示。

（2）在tpad.h文件內(nèi)添加以下代碼。

（3）在led.h文件內(nèi)添加以下代碼

（4）在led.c文件中添加以下代碼

（5）在tpad.c文件內(nèi)添加以下代碼

#include "tpad.h"
#include "delay.h"
/***************************************************
Name    :TPAD_Get_Value
Function  :觸摸按鍵值獲取
Paramater  :None
Return    :獲取的充電時(shí)間
***************************************************/
u16 TPAD_Get_Value()
{
  //電容放電
  GPIOA->CRL &= 0xFFFFFF0F ;          //PA1輸入
  GPIOA->CRL |= 0x00000030 ;          //推挽輸出
  GPIOA->ODR &= ~( 1<<1 ) ;          //輸出低電平放電
  delay_ms( 5 ) ;
  TIM5->SR = 0 ;                //清除標(biāo)記
  TIM5->CNT = 0 ;                //歸零
  GPIOA->CRL &= 0xFFFFFF0F ;          //PA1輸入
  GPIOA->CRL |= 0x00000040 ;          //浮空輸入
  //等待捕獲上升沿
  while( ( TIM5->SR&0x04 )==0 )
  {
    if( TIM5->CNT>( 65535-500 ) )
      return TIM5->CNT ;
  }
  return TIM5->CCMR2 ;
}
/***************************************************
Name    :TPAD_Get_MaxVal
Function  :觸摸按鍵最大值獲取
Paramater  :None
Return    :獲取的最大充電時(shí)間
***************************************************/
u16 TPAD_Get_MaxVal( u8 n )
{
  u16 temp=0;
  u16 res=0;
  while( n-- )
  {
    temp = TPAD_Get_Value() ;
    if( temp>res )
      res = temp ;
  }
  return res ;
}
/***************************************************
Name    :TPAD_Init
Function  :觸摸按鍵初始化
Paramater  :None
Return    :None
***************************************************/
TPADData TPAD_Data ;
void TPAD_Init()
{
  u16 buff[ 10 ], temp ;
  u8 i, j ;
  RCC->APB2ENR |= 1<<2 ;
  GPIOA->CRL &= 0xFFFFFF0F ;            //PA1 輸入
  GPIOA->CRL |= 0x00000040 ;            //浮空輸入
  RCC->APB1ENR |= 1<<3 ;              //TIM5時(shí)鐘開(kāi)啟
  TIM5->ARR = 65535 ;
  TIM5->PSC = 5 ;
  TIM5->CCMR1 |= 1<<8 ;              //選擇輸入端IC2映射到TI2上
  TIM5->CCMR1 &= ~( 1<<12 ) ;            //采樣頻率8分頻
  TIM1->CCMR1 &= ~( 1<<10 ) ;            //配置輸入不分頻
  TIM5->CCER &= ~( 1<<5 ) ;            //上升沿捕獲
  TIM5->CCER |= 1<<4 ;                //允許捕獲功能
  TIM5->CR1 |= 1<<0 ;                //開(kāi)啟定時(shí)器5
  //連續(xù)采樣10次
  for( i=0; i<10; i++ )
  {
    buff[ i ] = TPAD_Get_Value() ;
    delay_ms( 10 ) ;
  }
  //排序
  for( i=0; i<9; i++ )
  {
    for( j=i+1; j<10; j++ )
    {
      //升序排列
      if( buff[ i ]>buff[ j ] )
      {
        temp= buff[ i ] ;
        buff[ i ] = buff[ j ] ;
        buff[ j ] = temp ;
      }
    }
  }
  temp = 0 ;
  //獲取中間數(shù)據(jù)的均值
  for( i=2; i<8; i++ )
    temp += buff[ i ] ;
  TPAD_Data.value = temp/6 ;
}
/***************************************************
Name    :TPAD_Scan
Function  :觸摸按鍵掃描
Paramater  :None
Return    :None
***************************************************/
void TPAD_Scan()
{
  u16 rval ;
  rval = TPAD_Get_MaxVal( 3 ) ;
  if( rval>( TPAD_Data.value+100 ) )
    TPAD_Data.State = 1 ;              //手指按下
}

（6）在1.c文件內(nèi)添加主函數(shù)

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "led.h"
#include "tpad.h"
int main()
{
  STM32_Clock_Init( 9 ) ;                  //STM32時(shí)鐘初始化
  SysTick_Init( 72 ) ;                    //SysTick初始化
  USART1_Init( 72, 115200 ) ;                //初始化串口1波特率115200
  LED_Init() ;                      //LED初始化
  TPAD_Init() ;                      //觸摸按鍵初始化
  while( 1 )
  {
    TPAD_Scan() ;                    //觸摸按鍵掃描
    if( TPAD_Data.State==1 )
    {
      LED = 0 ;
      TPAD_Data.State = 0 ;
    }
    else
      LED = 1 ;
  }
}

——————————————分割線(xiàn)——————————————

8.4 STM32工程管理

這里的總結(jié)是針對(duì)與之前所學(xué)的所有嵌入式內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，隨著后續(xù)代碼越來(lái)越多，對(duì)于工程的管理顯得格外重要，不僅僅是采用本章節(jié)介紹的方法管理工程代碼，對(duì)于后續(xù)的Linux開(kāi)發(fā)和操作系統(tǒng)移植也最好是按照固定的工程格式進(jìn)行管理。

   對(duì)于STM32的工程可以劃分為以下幾個(gè)部分：

（1）過(guò)程文件以及最終生成的hex文件：這些文件通通放置在工程1級(jí)目錄下的OBJECT文件中，文件中的內(nèi)容如下圖所示。

圖中標(biāo)注部分就是最終生成的hex文件，其他的文件均屬于過(guò)程文件，集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)IDE編譯的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是采用gcc交叉編譯器將我們編寫(xiě)的代碼轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的機(jī)器代碼的過(guò)程，具體的步驟會(huì)在Linux系統(tǒng)移植中描述，這里只需要知道利用交叉編譯器進(jìn)行編譯的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的鏈接文件和過(guò)程文件，這些文件統(tǒng)統(tǒng)放置在OBJECT目錄下。將工程文件中的過(guò)程文件放置在該目錄下的設(shè)置方式如下圖所示。

（2）主函數(shù)文件及主工程文件：在Keil中創(chuàng)建的工程，以及包括main函數(shù)的c文件都位于這個(gè)目錄內(nèi)。

圖中標(biāo)注的3個(gè)文件都是必不可少的文件，帶有Keil圖標(biāo)的文件就是工程文件，里面包含了整個(gè)工程所需的頭文件，文件路徑以及編譯器位置，文本文件圖標(biāo)的則是c文件，main函數(shù)就放在這個(gè)位置，.s后綴的為匯編啟動(dòng)文件，用于幫助芯片創(chuàng)建C代碼運(yùn)行環(huán)境，初始化堆棧等功能，為了達(dá)到最快效率，所以采用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)這個(gè)文件。

（3）自定義系統(tǒng)文件：自定義的系統(tǒng)文件位于SYSTEM目錄中，目錄內(nèi)有3個(gè)子目錄，分別是sys，delay和usart1，如下圖所示。

delay目錄：是利用SysTick時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)的延時(shí)功能，主要有毫秒級(jí)延時(shí)和微秒級(jí)延時(shí)；

usart1目錄：則是利用串口1來(lái)實(shí)現(xiàn)printf打印輸出的功能，主要用于調(diào)試數(shù)據(jù)的輸出；

sys目錄：是最基礎(chǔ)的工程文件，這個(gè)目錄內(nèi)有1個(gè)c文件和2個(gè)h文件，c文件主要實(shí)現(xiàn)STM32時(shí)鐘樹(shù)的配置和中斷系統(tǒng)的設(shè)置功能，是C函數(shù)中最重要的一個(gè)文件，stmxx.h文件則是最底層的寄存器定義文件，里面定義了STM32芯片內(nèi)部所有寄存器的地址和結(jié)構(gòu)，通過(guò)C語(yǔ)言來(lái)調(diào)用這里面的寄存器實(shí)現(xiàn)芯片的控制功能。

（4）驅(qū)動(dòng)文件：驅(qū)動(dòng)文件位于HEADERWARE目錄中，用于存放項(xiàng)目所用到的驅(qū)動(dòng)，比如之前實(shí)驗(yàn)所用到的LED，KEY，TIM這些外設(shè)都屬于驅(qū)動(dòng)文件內(nèi)容。

至此整個(gè)工程的目錄結(jié)構(gòu)如下圖所示。