QTouch PTC SAMA5D2 MPU - Microchip...

DS00002585A_JP - p. 1 © 2017 Microchip Technology Inc.

AN2585 QTouch PTC サブシステムの SAMA5D2 MPU への実装

本書の内容

本書では、Microchip 社の SAMA5D2 が内蔵する QTouch®ペリフェラルタッチコントローラ(PTC)モジュールを最適化するための推奨設定値について説明します。PTC が SAMA5D2-PTC-EK ボードで動作するようになると、お客様のタッチボードをXPROのEXT1およびEXT2コネクタを介して接続できます。その後、EK ボードとお客様のボードのどちらもメインボードとして使えます。ドライバとファームウェアの変更は不要です。参考文献

タイトル文書タイプ文書番号

QTouch on SAMA5D2 MPU アプリケーションノート AN2472


AN2585

目次

本書の内容.......................................................................................................................1

参考文献 ..........................................................................................................................1

1. QTouch ペリフェラルタッチコントローラ(PTC)の概要 ........................................4

2. 自己および相互容量計測パラメータの最適化 ..........................................................5 2.1 最適化の条件と目標 .................................................................................................................. 5 2.2 最適化の方法論 ......................................................................................................................... 6 2.3 タイミングの最適化 ................................................................................................................ 13 2.4 パラメータの診断 .................................................................................................................... 16

3. PTC Toolbox ...........................................................................................................17 3.1 PTC コンソールコマンド ....................................................................................................... 17

4. 開発ツール ..............................................................................................................19 4.1 はじめに .................................................................................................................................. 19 4.2 SAMA5D2 PTC ソフトウェア ................................................................................................. 19 4.3 SAMA5D2 PTC 評価用ボード ................................................................................................. 19 4.4 標準タッチボード: QT1、QT2、QT6 Xplained Pro ................................................................ 20 4.5 カスタム基板 ........................................................................................................................... 21 4.6 起動/校正時間 .......................................................................................................................... 21

5. ノイズ耐性に関する推奨事項 .................................................................................22 5.1 はじめに .................................................................................................................................. 22 5.2 伝導性ノイズの定義 ................................................................................................................ 22 5.3 ノイズ耐性のチューニング ...................................................................................................... 22 5.4 VDDANA の変化に対する耐性 ................................................................................................. 22

6. タッチ感度に影響を及ぼす要因 .............................................................................23 6.1 センサ設計 ............................................................................................................................... 23 6.2 自己容量計測用の電極のサイズ .............................................................................................. 23 6.3 相互容量計測用の電極のサイズ .............................................................................................. 23 6.4 誘電体パネルの厚さと素材 ...................................................................................................... 23 6.5 グランド負荷 ........................................................................................................................... 24 6.6 グランドへの戻り .................................................................................................................... 24

7. 改定履歴 .................................................................................................................25 7.1 リビジョン A - 2017 年 11 月 ................................................................................................... 25

Microchip 社のウェブサイト ..........................................................................................26

お客様向け変更通知サービス ........................................................................................26

カスタマサポート ..........................................................................................................26


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Microchip 社のデバイスコード保護機能 ........................................................................26

法律上の注意点 .............................................................................................................27

商標 ...............................................................................................................................27

DNV による品質管理システム認証 ...............................................................................28

各国の営業所とサービス ...............................................................................................29


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1. QTouch ペリフェラルタッチコントローラ(PTC)の概要 QTouch ペリフェラルタッチコントローラ(PTC)サブシステムはボタン、スライダ、ホイールとして機能するセンサの容量式タッチ計測のための内蔵ハードウェアです。PTC は外付け部品なしで自己および相互容量計測をサポートします。PTC は優れた感度とノイズ耐性を備えています。また、自己校正機能を備え、感度調整の手間は最小限で済みます。


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2. 自己および相互容量計測パラメータの最適化本セクションでは高速かつ正確なタッチセンサを実現するための最適なパラメータを定義します。

自己および相互容量タッチ方式を説明します。

2.1 最適化の条件と目標ノードとキーの最適化はセンサの使われ方と外部条件(タッチが弱いか強いか、タッチが完全にセンサ面上で行われているかどうか等)に依存します。これらの条件はパラメータに影響します。最適化は以下に依存します。

センサの金属部分と指の間の距離

接触状態の指のタッチとデルタタッチ値の評価

感度の目標

接触タッチ条件におけるデルタレベル(しきい値レベル定義用)

接触タッチ条件におけるノードのノイズ計測

ノイズ除去の目標

センサの補償容量(CC)値の計測(タイミングパラメータ取得用)

Note: ノードにはチャンネル定義 1～n の順番に従って 0～n-1 のインデックスが割り当てられます。最適化はセンサにタッチしてインデックスごとに行います。

2.1.1 ランダムノイズの低減

ノイズは二乗平均平方根(RMS)値として計測されます。

計算式は以下の通りです。

𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 = 1/𝑁𝑁�(sample − mean)2𝑁𝑁−1

𝑛𝑛=0

N はサンプル数(約 1024)、mean はサンプルの平均値です。

センサがタッチしていない場合、ノイズは 10 ビットの 2 LSb 未満です。

タッチ条件では、ノイズは最大で 10～20 倍に増大します。しかし、このノイズはフィルタ抵抗(Rs)またはオーバーサンプリングで制限できます。

ノイズ低減の最初のステップは選択抵抗値(Rsel)を増やす事です。これにより、アナログフィルタの効率が上がります。

2 番目のステップではオーバーサンプリングでノイズを平均化します。欠点はタッチパネルのスキャン速度が低下する事です。

許容可能なノイズのターゲットはタッチデルタの S/N 比(SNR)に基づきます。

S/N 比の値が 18～34 dB であれば、ノイズは許容範囲内です。


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2.2 最適化の方法論

2.2.1 変数

データ収集

idx=チャンネルのインデックス

Signal と Reference、Delta=abs (Signal - Reference)

CC=補償容量

キーステータス

デルタパラメータ

gaina=アナログゲイン

gaind=デジタルゲイン

Dyn=1024 x GainD、信号コードの最大変化範囲

Rs=直列抵抗(0、20、50、100 kΩ)、Rsel セレクタフィールドで設定

検出しきい値

タイミングパラメータ

CSD=Charge Share Delay

OSR=デジタルフィルタのオーバーサンプリング率

Tb=タイムベース(µs)、常に最速の 1 µs に設定

統計データ

Mean={n 個の(Delta)の合計}/n、Delta=abs (Signal - Reference)の平均値

Stdev=SQRT({n 個の(Delta-Mean) ²の合計}/n)、Delta の標準偏差(ノイズ計測)

SNR=20 x LOG10 (Mean/Stdev)、Delta の S/N 比

ENOB= (SNR-1.76)/6.02、センサ計測の有効ビット数

Num=Mean、Stdev、SNR、ENOB の計算に使うサンプル数(1024 以上)

2.2.2 処理フロー図

このフロー図は最適化プロセスを示しています。


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2.2.3 デルタの計測用パラメータの初期化

メールボックスパラメータ

CSD=20

Rs=50 kΩ

タイムベース Tb=1 µs (PRSC=1)

gaina=16

gaind=1

OSR=64

THRESHOLD=4

Hysteresis=25%

Refresh=1

周波数ホッピングなし

Rs、PRSC、CSD の自動校正なし

Note: しきい値が低過ぎると DRIFT および RECAL 関数を制限してデルタ値に影響します。

ドリフトおよび再校正パラメータは以下のように大きいタイミング値に設定します。

Anti_Touch_Recal_thr=50%

Anti_Touch_Drift_Rate=50

Anti_Touch_Di=50

Drift_hold_time=50

Touch_DI=3

Touch_Drift_Rate=50

2.2.4 デルタの計測

デルタ(idx)=abs (信号(idx) - 参照電圧(idx)): idxはタッチパネルで使う定義済みチャンネルのインデックスで、idx=0～63(最大値)です。

デルタタッチの計測中は遷移値が 0 から DELTA の間で増減しないようにする事を推奨します。

パラメータはノイズの影響を低減するように設定します。グリッチの発生を防ぐためにローパスフィルタを

信号に適用します(高 RSEL、最大 OVERSAMPLING)。

最大変化範囲の 1024に対して(デジタルゲインの適用なし)、デルタは 50から最大値 200のレンジ内である必要があります。

デルタはタッチ条件でタッチデルタが到達可能な最大値に近づいた時に計測する必要があります。

このプロセスによってデルタの平均値と到達最大値が得られます。

2.2.5 アナログゲインの調整

アナログゲインは、タッチ容量 Ct と内部でプログラマブルなサンプルホールド容量値 Csh の比です。このゲインの効果は計測の感度が向上する事ですが、ノイズの取り込みと静的な誤差偏差(計測のオフセットとゲイン誤差等)も増大します。感度はキーしきい値レベルの影響も受ける事に注意してください。

アナログゲインはできる限り低く抑える必要があります。推奨値は 1 または 2 です。


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パネルのタッチ面で絶縁層が厚い場合(4 mm のプレキシガラス等)、ゲインを 4 または 8 にする事を推奨します。

アナログゲインを 16 にすると参照電圧のシフト、ノイズ増大、ADC 飽和の可能性があります。この値は注意して使う必要があり、できる限り使わないようにします。

アナログゲインが 16 を超えると、PTC が飽和して機能しなくなります。

センサの金属層と指の間の誘電体オーバーレイが厚い場合、アナログゲインを使って感度を向上させます。

表 2-1. 例: 誘電体オーバーレイの厚さとアナログゲイン値(相互容量が 5 pF の場合)

厚さ(mm) ゲイン

0 1

1 2

2 2

3 4

4 4

5 8

6 8

6 超 8 または 16

サンプリング中に取り込まれたノイズは常に、ゲインと共に増大します。そのため、アナログゲインを

できる限り低く抑え、全信号振幅の少なくとも 25～45%にする事を推奨します、例えば、デジタルゲインが 1 の時、変化範囲は 1024 のため、256 LSb に到達する事がデルタ信号の目標です。

2.2.6 しきい値の調整

しきい値=デルタの平均値/2。

感度を向上させるには、しきい値=デルタの平均値/4 とします。

ドリフトと再校正の挙動によっては、しきい値を小さくした方が良い場合があります。

フィールドの値はデジタルゲインを考慮する必要があります。従って、変化範囲の 1024(ゲイン=1)にわたって計測したしきい値が 60 の場合、プログラムする値を 60 x gaind とする必要があります。

2.2.7 ノイズ計測メールボックス

パラメータの初期化

ノード – CSD=30 – Rs=0 kΩ – タイムベース Tb=1µs – gaina=前のデルタ最適化手順で調整した値 – gaind=1 – OSR=1 – Rs、PRSC、CSD の自動校正なし


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キー – しきい値=4 x gaina – Hysteresis=25% – 周波数ホッピングなし

その他 – Refresh=1

ドリフトおよび再校正パラメータは以下のように大きいタイミング値に設定します。

Anti_Touch_Recal_thr=50%

Anti_Touch_Drift_Rate=50

Anti_Touch_Di=50

Drift_hold_time=50

Touch_DI=3

Touch_Drift_Rate=50

2.2.8 ノイズの計測

ノイズエネルギは、差分デルタの平均値の RMS を求める事で計測します。これは、デルタのサンプルの標準偏差(Stdev)と呼ばれる統計データと同等のものです。

さらに、この標準偏差はデルタの S/N 比を求めるために使います。計算式は以下の通りです。 SNR=20 x LOG10 (Mean/Stdev)

2.2.9 Rs の調整

S/N 比が小さすぎると思われる場合、Rs 抵抗を増やす事でデルタの平均値に影響を及ぼさずにノイズを低減できます。そこで、S/N 比が適切な値になるまで RSEL フィールドの値を増加させます。

最適なノイズ性能を得るには、Rs 値と OSR を調整する必要があります。オーバーサンプリングを一切行わずに Rs を 100 kΩに増やす必要は必ずしもありませんが、そうする事で一定の長い遅延を生じさせる事ができ、これにより CSD が増大してアクイジション中にセンサをフル充電できる場合があります。一般に、PTC が飽和しなくなるまで Rs を調整する事を推奨します。つまり、ノイズを含んだサンプルの大部分がフルスケールの少なくとも 10%に収まるようにします。Rs の調整が完了したら、必要な S/N 比に達するまで OSR を調整します。

2.2.10 QT1 ボードのボタンの例

挙動の例として、QT1 ボードのボタン 1 でノイズを計測しました。

ボタンの容量は約 5 pFです。フィルタ処理の効果でノイズのRMS値が低下しています。アナログゲインと Rs 間のトレードオフは GAIN=1、2、4 のいずれかと Rs=50 kΩです。


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2.2.11 オーバーサンプリング(OSR)の調整

Rs を最大値の 100 kΩにしてもノイズが大き過ぎる場合、オーバーサンプリングを使ってノイズを低減する必要があります。

オーバーサンプリングはチャンネルにデジタルフィルタ処理を行ってランダムノイズを低減します。タッチ条件ではノイズが大きくなる事に注意します。

下表は QT1 ボタンの例です。アナログゲイン=4 の初期条件(Rs=0)で平均化してノイズを低減しています。

PTC の分解能である ENOB(有効ビット数)が 12 ビットを超えていない事を示しています。デジタルゲインが 4 を超える必要はないため、フィルタ条件の有効な変化範囲(Dyn=1024 x GainD)は 4096 です。

変化範囲 GainD OSR STDEV SNR ENOB

1024 1 1 5.00 36.31 5.74

2048 2 2 11.72 44.90 7.16

4096 4 4 17.98 47.23 7.55

8192 8 8 21.60 51.61 8.28

16384 16 16 23.14 57.02 9.18

32768 32 32 22.56 64.15 10.36

32768 32 64 11.94 71.57 11.59


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2.2.12 オーバーサンプリングと周波数ホッピング

周波数ホッピングを使うと、特定の周波数のチャンネルに対する同期ノイズを低減できます。

周波数ホッピングは、サンプリングした 3つのデータのうち 1つだけを維持します。それによって中央値からの偏差を取り除きます。周波数ホッピングアルゴリズムの前に平均化(例: OVERSAMPLING=16)を適用すると、平均値にサンプリング処理を適用する事になります。この場合、平均化処理時にノイズの

大きいサンプルが他のサンプルとマージされます。平均サンプル誤差はデジタルフィルタによって低減

されますが、周波数ホッピングは引き続き行われます。

2.2.13 更新と周波数ホッピング

周波数ホッピングは、ADC サンプリングのタイミングがタイムベース Tb の一定期間、(12 MHz RC から)シフトした時に行われます。

更新は別のクロック(低速クロックの 32 µs の期間)に基づいて行われ、タッチパネルをスキャン(全てのインデックス)から別のスキャン(全てのインデックス)にシフトします。

その後、更新のタイミングは 12 MHz RC のエッジで計測エンジンによって再同期されます。これにより、ADC サンプリングにスペクトラム拡散のようなランダムな遅延が生じ、周波数ホッピングアルゴリズムとほぼ同じ効果をもたらします。

最初のテストでは更新時間のみを使い、その後でノイズを確認する必要があります。同期ノイズの問題が

解消しない場合、周波数ホッピングを有効にします。

2.2.14 デジタルゲイン

デジタルゲインはデジタル積算フィルタ(OVERSAMPLING)と連動します。デジタルゲイン値は少なくともオーバーサンプリング値以上である必要があります。


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2.3 タイミングの最適化初期化時に CC を計測した後、製造ばらつきを考慮するために値を 20%増やして計算にいくらかの安全マージンを与えます。

2.3.1 PRSC

迅速なタッチスキャンを維持するために、PRSCフィールドを 0のままにします。計測のタイムベースはTb=1 µs です。他の値を使うと計測速度が低下する場合があります。

2.3.2 補償容量(CC)

補償容量は、他のパラメータ(CSD、クロック速度、Rs 等)を最適化するのに非常に役立ちます。

PTC は初期化時と参照ドリフト検出時にセンサ容量(フィールド comp_caps)を計測します。この計測は完全に自動化されており、キーの検出に使う各ノードの基準フィールドの値を設定します。

CC はシリコンの製造ばらつき(公称値から約±20%)に応じて製品ごとに異なる内部容量です。

チャンネルのインデックスごとに CC 値を抽出します。

例:

相互容量方式で、10 pF の容量を X と Y の間に置いた場合を考えます。

comp_caps レジスタから 0x1234 (BCD)が計測値として読み出された場合、補償容量 CC の計算は1x(7 pF)+2x(0.7 pF)+3x(0.07 pF)+4x(0.007 pF)=8.638 pF となります。こうして 10 進の容量値に変換します。

約-14%の誤差がありますが、これは主に製造時のばらつきに起因するものです。

タイミングの最適化では comp_caps の値を把握する事が重要です。この値を 20%増やす必要があります。従って、使用する値 CC x 1.2 はこの後の計算における最悪条件です。

2.3.3 単一ノードのアクイジション時間: Tacq

PTC のアクイジションタイミングは picoPower プロセッサ(pPP)内の 12 MHzRC を 3 分周したクロックと後続のプリスケーラ(Prsc)で決まります。

最終的なクロック周波数は以下の通りです。

4 MHz を 4 分周した固定遅延用クロック

ADC_clock=4 MHｚを 4xPrsc で分周したプログラマブル遅延(CSD)用クロック

ADC_clock は Tb=1/2/4/8 µs のいずれかにおけるタイムベース周期を定義します。ADC_clock は最速値である 1 MHz (Tb=1 µs)のままにする事を推奨します。この周波数を低くする必要はありません。

このタイミングは CSD とオーバーサンプリングにも依存します。

ADC_clock の CSD 0～255 は容量の切り換え時間を増やすために導入された遅延です。

オーバーサンプリングはフィルタレベル X=1～64 を定義するパラメータであり、平均化に使うサンプルの数を表します。

下表に、全てのフィルタレベルとCSD値(最大 6)に対するタイミング計測値を示します。これらの値の精度は±20%です。0～3 の CSD パラメータは計測時間に影響しません。また品質にも影響しません。CSD=3 を使う事を推奨します。

CSD=4 以上の場合、以下の単純な式でアクイジションタイミングを予測できます。 Tacq=3.Tb x (OSR x CSD + 4) + 3 x X + 16 (µs)

Tb: タイムベース(µs)


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X: オーバーサンプリングフィルタレベル 1～64

CSD: 0～255

表 2-2. Tacq (µs)、Tb=1 µs の場合

Tacq/ノード PTC_FILTER_LEVEL_x

CSD x=1 x=2 x=4 x=8 x=16 x=32 x=64

CSD=0

CSD=1

CSD=2

CSD=3

35 48 76 131 242 462 902

CSD=4 36 51 81 141 261 501 981

CSD=5 39 57 93 165 309 597 1173

CSD=6 42 63 105 189 357 693 1365



CSD x=1 x=2 x=4 x=8 x=16 x=32 x=64

CSD=0

CSD=1

CSD=2

CSD=3

59 87 142 252 472 912 1790

CSD=4 60 87 141 249 465 897 1761

CSD=5 66 99 165 297 561 1089 2145

CSD=6 72 111 189 345 657 1281 2529



CSD x=1 x=2 x=4 x=8 x=16 x=32 x=64

CSD=0

CSD=1

CSD=2

CSD=3

109 164 274 495 935 1816 3573

CSD=4 112 163 265 469 877 1693 3325

CSD=5 124 187 313 565 1069 2077 4093

CSD=6 136 211 361 661 1261 2461 4861


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CSD x=1 x=2 x=4 x=8 x=16 x=32 x=64

CSD=0

CSD=1

CSD=2

CSD=3

209 320 542 977 1860 3612 7146

CSD=4 211 310 508 904 1696 3280 6448

CSD=5 235 358 604 1096 2080 4048 7984

CSD=6 259 406 700 1288 2464 4816 9520

2.3.4 パネルノードのアクイジション時間: Tscan

パネルでカウントノードを使う場合、パネルの合計スキャンを以下のように表せます。

Tscan= (Tacg (idx=0～カウント-1))の合計 + 85 µs + refresh x (20 µs)

refresh はプログラマブルな遅延です。100 以下の値で最大 2 ms の遅延を生じさせます。

この遅延は pPP タイマと 12 MHz RC とは別のクロック周波数に基づきます。

refresh が null でない場合、クロックの再同期が行われアクイジション中にジッタが自然発生します。このジッタは計測においてスペクトラム拡散のようにふるまうため、同期ノイズを低減します。

2.3.5 Rs の直列フィルタ抵抗に対する CSD の最適化

下表はセトリングタイムを 5 Tau(推奨値)に制限して作成したものです。

Rs = 100 kΩ Rs = 100 kΩ

CSD Cy (pF) Tacq (µs) Cy (pF) Tb (µs) 5 10 20 30 Tb (µs) 5 10 20 30

1 5 10 20 30 1 39 61 91 121

2 3 5 10 15 2 59 66 103 133

4 2 3 5 8 4 109 109 124 163

8 1 2 3 4 8 209 209 209 211

Rs = 50 kΩ Rs = 50 kΩ

CSD Cy (pF) Tacq (µs) Cy (pF) Tb (µs) 5 10 20 30 Tb (µs) 5 10 20 30

1 3 5 10 15 1 35 39 61 76

2 2 3 5 8 2 59 59 66 91

4 1 2 3 4 4 109 109 109 112

8 1 1 2 2

8 209 209 209 209


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Rs = 20 kΩ Rs = 20 kΩ

CSD Cy (pF)

Tacq (µs) Cy (pF) Tb (µs) 5 10 20 30

Tb (µs) 5 10 20 30 1 1 2 4 6

1 35 39 36 42

2 1 1 2 3

2 59 59 59 59

4 1 1 1 2

4 109 109 109 109

8 1 1 1 1

8 209 209 209 209

Rs = 0 kΩ Rs = 0 kΩ

CSD Cy (pF) Tacq (µs) Cy (pF) Tb (µs) 5 10 20 30

Tb (µs) 5 10 20 30 1 0 0 0 0

1 35 35 35 35

2 0 0 0 0

2 59 59 59 59

4 0 0 0 0

4 109 109 109 109

8 0 0 0 0

8 209 209 209 209

2.4 パラメータの診断パラメータ値を最終決定する前に以下をチェックする必要があります。

キーしきい値検出レベルに対するデルタ値

ターゲットに対するノイズレベル

最大値(30 pF)に対する相互および自己容量値


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3. PTC Toolbox PTC Toolbox は VT100 互換の端末で使われているいくつかの基本的なコマンドで操作できます。SAMA5D2-PTC EK ボードは、外部 UART ポートを使って設定します。このポートを使って SAMA5D2上で動作する PTC Toolbox と通信できます。

3.1 PTC コンソールコマンド PTC Toolbox は、PTC のトポロジとパラメータの設定に使う読み書きコンソール命令セットです。

タッチ信号のデータはこのツールを使って読み出します。

3.1.1 ヘルプコマンド

cmd: QTM (QTouch メールボックス) コマンドを送信する

dump_conf: QTM の設定全体を表示する

get: QTM の設定を読み出す

help: help をコマンド引数として使って詳細なヘルプを表示する

quit: このアプリケーションを終了する

show_signals: 各ノードの生値を表示する

set: QTM の設定を書き込む

3.1.2 ptc > cmd help cmd firm_version

cmd init [number_of_nodes]

cmd run [number_of_nodes]

cmd status

cmd stop

cmd set_acq_mode_on_demand

cmd set_acq_mode_timer [delay]


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3.1.3 ptc > get help get node_group_config

get node_config [node number]

get node_data [node number]

get key_group_config

get key_config [key number]

get auto_scan_config

get scroller_group_config

get scroller_config [scroller number]

get fh_autotune_config

get fh_freq

get touch_events

3.1.4 ptc > set help set node_group_config

set node_config [node number]

set node_data [node number]

set key_group_config

set key_config [key number]

set auto_scan_config

set scroller_group_config

set scroller_config [scroller number]

set fh_autotune_config

set fh_freq

set touch_events

3.1.5 ptc > show_signals help show_signals [output] [number of captures] [delay between captures] [nodes]

– output: 必須、ファイル名の標準出力 – number of captures: キャプチャの実行回数 – delay between captures: 連続するキャプチャの間隔(µs) – nodes: ノード ID のリスト、指定しない場合は全ノードを選択

例: ノード 0、1、2、3 の信号を 100 µs ごとに 10 回キャプチャしてコンソールに表示する場合

show_signals stdout 10 100 0 1 2 3


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4. 開発ツール

4.1 はじめに SAMA5D2 デバイスで QTouch を実装するには以下のツールが必要です。 SAMA5D2 PTC 評価用キット(SAMA5D2-PTC-EK) PTC サブシステムファームウェアユーザインターフェイスヘッダファイル

ドライバは Softpack または Linux を介して提供しています。すべての設定はコンソールまたはコンフィグレーションファイルで行います。

4.2 SAMA5D2 PTC ソフトウェア IAR コンパイラ用開発環境: ソフトウェアフレームワーク: https://github.com/atmelcorp/atmel-software-package

Linux 開発環境: Linux ドライバ: http://www.at91.com/linux4sam/bin/view/Linux4SAM/

4.3 SAMA5D2 PTC 評価用ボード SAMA5D2-PTC-EK ボードを使うと、付属の開発ツールで PTC を操作できます。

SAMA5D2-PTC-EKは既存のタッチボード(ATQT1スライダ、ホイール、ボタン(自己および相互容量様式))およびその他(ATQT2 サーフェス、ATQT6 パッド等)と互換です。本ボードは JTAG または USB SAMBAポート(Linux)を介してPCに接続します。UARTコンソールを使ってPTCのトポロジとパラメータをインタラクティブに制御できます。

カスタムタッチパネルの場合、QTouchライブラリのパラメータをハードウェアに合わせて調整する必要があります。PC ホストへの同じリンクを API のセットと一緒に使えます。

図 4-1.PTC ツールの構成 Note: 本ボードに実装されているプロセッサは SAMA5D27 です。

Sensor Board

Sliders

Wheels

Buttons

PC Host

Programming Tools

Console

X/Y Topographic Setting

Configuration Parameters

FLASH QSPI

SDRAM

https://github.com/atmelcorp/atmel-software-packagehttp://www.at91.com/linux4sam/bin/view/Linux4SAM/


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4.4 標準タッチボード: QT1、QT2、QT6 Xplained Pro

QT1 Xplained Pro

基板面積: 60 mm x 100 mm

10 ノード、自己または相互容量

タッチ位置を示す LED

詳細は QT1 Xplained Pro 拡張キットを参照してください。

QT2 Xplained Pro

タッチエリア: 38 mm x 32 mm

16 ノード、相互容量、ノードピッチ 10 mm

対角間タッチ距離 14 mm

タッチ位置を示す 49 個の LED

詳細は QT2 Xplained Pro を参照してください。

http://www.microchip.com/developmenttools/productdetails.aspx?partno=atqt1-xprohttp://www.microchip.com/developmenttools/productdetails.aspx?partno=atqt2-xpro


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QT6 Xplained Pro

タッチエリア: 50 mm x 50 mm

64 ノード、相互容量、ノードピッチ 5 mm

タッチ区割り間距離 2 mm

詳細は QT6 Xplained Pro を参照してください。

4.5 カスタム基板 Microchip 社の QT Xplained ボードまたは独自のタッチボードを使い、同じソフトウェアとドライバを使って、カスタムのタッチ構成に対してタッチパラメータを最適化できます。

EMC の問題が発生する可能性を減らすために、チップを同じ PCB 上のタッチキーの近くに配置して X/Yトレース長を短くする事を推奨します。長い接続トレースは RF アンテナとして作用します。Y(受信)ラインは X(駆動)ラインよりもノイズの影響を受けやすい傾向があります。さらに重要な事として、全ての信号関連のディスクリート部品(抵抗とコンデンサ)をチップ近くに配置する必要があります。チップと各種抵抗およびコンデンサ間の配線は、できる限り短くまっすぐに引いてノイズの影響を抑制する必要が

あります。グランドプレーンとトレースはキーキーからの Y ラインから遠ざける必要があります。グランドエリア、トレース、AC グランドとして機能するその他の近接信号導体(Vdd 等)は、受信したキー信号を吸収し、S/N 比を低下させてしまいます。また、キーの近くのグランドプレーンもウォータフィルム効果による S/N 比低下を招きます。

4.6 起動/校正時間 PTC pPP は徹底した初期化およびセルフテストシーケンスを実施します。セルフテストに合格すると、このシーケンスの最後のステップでシリアル通信インターフェイスが有効になります。起動シーケンス

中にセーフティクリティカルな障害が検出された場合、通信インターフェイスは有効になりません。

PTC は、初期化直後に全てのキーを校正する事によって各キーの参照レベルを決定します。キーはそれぞれ別々に、その他全ての有効化されたキーと同時に校正されます。

http://www.microchip.com/developmenttools/productdetails.aspx?partno=atqt6-xpro


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5. ノイズ耐性に関する推奨事項

5.1 はじめに信号のデルタ値は通常、キー形状が適切に設計されていれば 60～256 カウントのレンジに収まります。

最も弱い指のタッチからの信号振幅は、10 カウントを超えるべきで 15 が妥当です。信号のしきい値は、最も弱いタッチで発生する信号振幅未満に設定する必要があります。

5.2 伝導性ノイズの定義伝導性ノイズとは、外部配線からの望ましくないノイジーな RF 電圧および電流を指します。この望ましくないノイズの発生源には RF トランスミッタ、スイッチングモード電源、その他 RF レンジ内で電気的動作を行う相互接続デバイス等があります。伝導性ノイズは一般にコモンモードでデバイスに接続され

ている全てのケーブルに乗ります。容量式タッチアプリケーションは通常、人による操作が行われるまではコモンモードノイズによる影響を受けません。これは、ノイズ源(通常はアース)への戻り経路が存在せず、電源ラインは VDD/GND 間で安定した電位差に保たれているからです。

しかし、人が操作すると指と人体、アース、電源を経由した戻り経路が形成され、ノイズと容量式セン

サを結合します。このノイズが通常のフィルタ処理アルゴリズムの効果がなくなるレベルに達すると、

タッチ計測にエラーが生じてシステムの信頼性が失われます。これはタッチの未検出、タッチの誤検出、

場合によってはシステムロックアップとして現れます。従って、タッチアプリケーションが使われる環境、ノイズ対策をどこに適用するか理解する事が重要です。

5.3 ノイズ耐性のチューニング PTC は最善の注意を払って設計されており、容量式タッチソリューションを簡単に設計できるだけでなく、最高のタッチ性能が得られます。それでもやはり、どのようなタッチセンシングアプリケーションでも使用環境における電気的干渉がセンサの性能に及ぼす影響を考慮する必要があります。ノイズ耐性を高

めると、タッチ応答時間と消費電力が増大します。ノイズ耐性を最適化するには、タッチセンサを

チューニングする必要があります。

5.4 VDDANA の変化に対する耐性 ADC はコンデンサの充電に使うのと同じ供給電圧を参照しています。従って、計測信号は VDDANA に依存しません。


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6. タッチ感度に影響を及ぼす要因

6.1 センサ設計自己容量方式の場合、電極とセンサトレースを含むセンサの容量を 30 pF 以下にします。

相互容量方式の場合、センサ電極の容量を 30 pF 以下にします。

スライダ/ホイールの場合、各チャンネルの容量を 30 pF 以下にします。

補償容量(CC)校正値を使うと寄生容量が高いかどうか確認できます。チャンネルの CC 校正値が 16383 の場合、飽和していると見なせます。

パネル上のセンサをグループ化すると、耐水性を高める事ができます。耐水性機能である「Adjacent Key Suppression」は相互に近接したセンサのグループに対して機能します。

6.2 自己容量計測用の電極のサイズ容量は表面積の関数です。従って、タッチターゲットと電極の表面積が大きいほど容量の変化も大きく

なります。電極が小さ過ぎると指に結合する表面積が最適となりません。そのため、センサ感度は下がり

ます。電極が大き過ぎると余分な表面積が近くのグランドへの戻り(外部トラック、グランドプレーン等)に寄生容量を増やしてしまいます。

最適な電極サイズはタッチターゲットより数 mm 程度大きい電極です。最適なサイズの電極なら、タッチが中心からわずかにずれても検出できます。タッチターゲットは通常、指の幅(一般に 8～12 mm 程度)にします。

6.3 相互容量計測用の電極のサイズ X 電極と Y 電極間の相互容量を計測します。従って、感度の高いタッチ領域は X 電極と Y 電極の間の領域です。フィールドの透過率と密度を上げると感度が向上します。

XY の間隔を大きくすると前面の誘電体パネルのフィールド透過率が向上します。XY の間隔が大きいほど検出フィールドにおける誘電体パネルからユーザのタッチまでの到達距離が長くなります。XY の間隔をT/2 にするのが理想です(T は前面パネルの厚さ)。XY の間隔が大きすぎると、タッチしていない時にセンサに近接効果が生じる事があります。また、水分に対するセンサ感度が高くなり過ぎる事もあります。X電極と Y 電極間のインターリーブの量を増やすとフィールド密度が向上します。つまり、QMatrix キーの「歯」を増やすのです。T/2 ルールを維持しながらキーのインターリーブの量を増やすと感度が向上します。

6.4 誘電体パネルの厚さと素材前面の誘電体パネルが厚いほど電極の感度は下がります。素材の相対誘電率が高いほど電荷がパネルを

通過して伝播する性能が優れています。従って、誘電率の高い素材を使う事で容量式タッチセンサの性

能が向上します。例えば、パネルの厚さが 2 mmの場合の最小電極サイズは 8 mm x 8 mmを推奨します。


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6.5 グランド負荷自己および相互容量計測の Y ラインに関しては、グランドトラックまたはグランドプレーンが近いとセンサ感度が下がります。これは、グランドが近いと電荷に別の戻り経路が生成され、寄生容量が増加

するためです。全てのグランドを検出電極/トラック/部品からできるだけ離してください。ノイズからの保護または携帯機器の安定動作にグランドプレーンが必要な場合、網状のグランドパターンを使えます。

網状のパターンにする事で表面積が減少し、従って負荷が減りますがノイズからは保護できます。負荷の

影響を低減するには、検出トラックをできるだけ短くします。

相互容量計測の場合、X ライン (トランスミッタ)が常に駆動されるためグランド負荷の影響を受けません。X ラインはほぼどこにでも簡単に配線できます。ただし Y ラインの近くは除きます。XY の結合でタッチセンサの誤検出が発生する事があります。

6.6 グランドへの戻り全ての容量式タッチセンサは、電荷が電極からセンサ回路のグランドに「伝播」するための戻り経路を

必要とします。人間は質量とサイズが大きいためアースと見なせます。従って、容量式タッチセンサを

搭載した製品を電源アースに接続すると、一定で高品質の戻り経路を形成できます。感度はほぼ一定で、

向上します。


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7. 改定履歴

7.1 リビジョン A - 2017 年 11 月

本書は初版です。


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Microchip 社のウェブサイト

Microchip 社は自社が運営するウェブサイト(www.microchip.com)を通してオンラインサポートを提供しています。このウェブサイトを通じて、お客様はファイルと情報を簡単に入手できます。インターネットブラウザから以下の内容がご覧になれます。

製品サポート - データシートとエラッタ、アプリケーションノートとサンプルプログラム、設計リソース、ユーザガイドとハードウェアサポート文書、最新のソフトウェアと過去のソフトウェア

一般的技術サポート - よく寄せられる質問(FAQ)、技術サポートのご依頼、オンラインディスカッショングループ、Microchip 社のコンサルタントプログラムおよびメンバーリスト

ご注文とお問い合わせ - 製品セレクタと注文ガイド、最新プレスリリース、セミナー/イベントの一覧、お問い合わせ先(営業所/販売代理店)の一覧

お客様向け変更通知サービス

Microchip 社のお客様向け変更通知サービスは、お客様に Microchip 社製品の最新情報をお届けするサービスです。ご興味のある製品ファミリまたは開発ツールに関する変更、更新、リビジョン、エラッタ情

報をいち早くメールにてお知らせします。

Microchip 社ウェブサイト(http://www.microchip.com/)にアクセスし、[Design]メニューの下の[Product Change Notification]からご登録ください。

カスタマサポート

Microchip 社製品をお使いのお客様は、以下のチャンネルからサポートをご利用頂けます。

代理店または販売担当者

各地の営業所

技術サポート

サポートは販売代理店にお問い合わせください。もしくは弊社までご連絡ください。本書の最後のペー

ジには各国の営業所の一覧を記載しています。

技術サポートは以下のウェブページからもご利用頂けます。http://www.microchip.com/support

Microchip 社のデバイスコード保護機能

Microchip 社製デバイスのコード保護機能について以下の点にご注意ください。

Microchip 社製品は、該当する Microchip 社データシートに記載の仕様を満たしています。

Microchip 社では、通常の条件ならびに仕様に従って使用した場合、Microchip 社製品のセキュリティレベルは、現在市場に流通している同種製品の中でも最も高度であると考えています。

しかし、コード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です。弊社の理解では、こうした手法は全て Microchip 社データシートにある動作仕様書以外の方法で Microchip社製品を使用する事です。このような行為は知的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言え

ます。

Microchip 社はコードの保全性に懸念を抱いているお客様と連携して対応策に取り組んでいきます。

Microchip 社を含む全ての半導体メーカーで、自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありません。コード保護機能とは、Microchip 社が製品を「解読不能」として保証するものではありません。

http://www.microchip.com/http://www.microchip.com/http://www.microchip.com/support


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コード保護機能は常に進歩しています。Microchip社では、常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいます。Microchip 社のコード保護機能の侵害は、デジタルミレニアム著作権法に違反します。そのような行為によってソフトウェアまたはその他の著作物に不正なアクセスを受けた場合、デジタルミレニアム著作権法の定める所により損害賠償訴訟を起こす権利があります。

法律上の注意点

本書に記載されているデバイスアプリケーション等の情報は、ユーザの便宜のためにのみ提供されるものであり、更新によって無効とされる事があります。お客様のアプリケーションが仕様を満たす事を保

証する責任は、お客様にあります。Microchip 社は、明示的、暗黙的、書面、口頭、法定のいずれであるかを問わず、本書に記載されている情報に関して、状態、品質、性能、商品性、特定目的への適合性を

はじめとする、いかなる類の表明も保証も行いません。Microchip 社は、本書の情報およびその使用に起因する一切の責任を否認します。Microchip 社の明示的な書面による承認なしに、生命維持装置あるいは生命安全用途に Microchip 社の製品を使用する事は全て購入者のリスクとし、また購入者はこれによって発生したあらゆる損害、クレーム、訴訟、費用に関して、Microchip 社は擁護され、免責され、損害をうけない事に同意するものとします。暗黙的あるいは明示的を問わず、Microchip 社が知的財産権を保有しているライセンスは一切譲渡されません。

商標

Microchip 社の名称とロゴ、Microchip ロゴ、AnyRate、AVR、AVR ロゴ、AVR Freaks、BeaconThings、BitCloud、CryptoMemory、CryptoRF、dsPIC、FlashFlex、flexPWR、Heldo、JukeBlox、KeeLoq、KeeLoq ロゴ、Kleer、LANCheck、LINK MD、maXStylus、maXTouch、MediaLB、megaAVR、MOST、MOST ロゴ、MPLAB、OptoLyzer、PIC、picoPower、PICSTART、PIC32 ロゴ、Prochip Designer、QTouch、RightTouch、SAM-BA、SpyNIC、SST、SST ロゴ、SuperFlash、tinyAVR、UNI/O、XMEGAは米国およびその他の国における Microchip Technology Incorporated の登録商標です。

ClockWorks、The Embedded Control Solutions Company、EtherSynch、Hyper Speed Control、HyperLight Load、IntelliMOS、mTouch、Precision Edge、Quiet-Wire は米国における Microchip Technology Incorporated の登録商標です。

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SQTP は米国における Microchip Technology Incorporated のサービスマークです。

Silicon Storage Technology は米国以外の国における Microchip Technology Inc.の登録商標です。

GestICは米国以外の国におけるMicrochip Technology Inc.の子会社であるMicrochip Technology Germany II GmbH & Co. KG の登録商標です。

その他の商標は各社に帰属します。

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ISBN: 978-1-5224-3807-6

DNV による品質管理システム認証

ISO/TS 16949

Microchip 社では、Chandler および Tempe(アリゾナ州)、Gresham(オレゴン州)の本部、設計部およびウェハー製造工場そしてカリフォルニア州とインドのデザインセンターが ISO/TS-16949:2009 認証を取得しています。Microchip 社の品質システムプロセスおよび手順は、PIC® MCU および dsPIC® DSC、KEELOQ®コードホッピングデバイス、シリアル EEPROM、マイクロペリフェラル、不揮発性メモリ、アナログ製品に採用されています。さらに、開発システムの設計と製造に関する Microchip 社の品質システムは ISO 9001:2000 認証を取得しています。


各国の営業所とサービス

北米アジア/太平洋アジア/太平洋ヨーロッパ

本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel: 480-792-7200 Fax: 480-792-7277 技術サポート: http://www.microchip.com/ サポート URL: www.microchip.com アトランタ Duluth, GA Tel: 678-957-9614 Fax: 678-957-1455 オースティン、TX Tel: 512-257-3370 ボストン Westborough, MA Tel: 774-760-0087 Fax: 774-760-0088 シカゴ Itasca, IL Tel: 630-285-0071 Fax: 630-285-0075 ダラス Addison, TX Tel: 972-818-7423 Fax: 972-818-2924 デトロイト Novi, MI Tel: 248-848-4000 ヒューストン、TX Tel: 281-894-5983 インディアナポリス Noblesville, IN Tel: 317-773-8323 Fax: 317-773-5453 Tel: 317-536-2380 ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: 949-462-9523 Fax: 949-462-9608 Tel: 951-273-7800 ローリー、NC Tel: 919-844-7510 ニューヨーク、NY Tel: 631-435-6000 サンノゼ、CA Tel: 408-735-9110 Tel: 408-436-4270 カナダ - トロント Tel: 905-695-1980 Fax: 905-695-2078

オーストラリア - シドニー Tel: 61-2-9868-6733 中国 - 北京 Tel: 86-10-8569-7000 中国 - 成都 Tel: 86-28-8665-5511 中国 - 重慶 Tel: 86-23-8980-9588 中国 - 東莞 Tel: 86-769-8702-9880 中国 - 広州 Tel: 86-20-8755-8029 中国 - 杭州 Tel: 86-571-8792-8115 中国 - 香港 SAR Tel: 852-2943-5100 中国 - 南京 Tel: 86-25-8473-2460 中国 - 青島 Tel: 86-532-8502-7355 中国 - 上海 Tel: 86-21-3326-8000 中国 - 瀋陽 Tel: 86-24-2334-2829 中国 - 深圳 Tel: 86-755-8864-2200 中国 - 蘇州 Tel: 86-186-6233-1526 中国 - 武漢 Tel: 86-27-5980-5300 中国 - 西安 Tel: 86-29-8833-7252 中国 - 厦門 Tel: 86-592-2388138 中国 - 珠海 Tel: 86-756-3210040

インド - バンガロール Tel: 91-80-3090-4444 インド - ニューデリー Tel: 91-11-4160-8631 インド - プネ Tel: 91-20-4121-0141 日本 - 大阪 Tel: 81-6-6152-7160 日本 - 東京 Tel: 81-3-6880-3770 韓国 - 大邱 Tel: 82-53-744-4301 韓国 - ソウル Tel: 82-2-554-7200 マレーシア - クアラルンプール Tel: 60-3-7651-7906 マレーシア - ペナン Tel: 60-4-227-8870 フィリピン - マニラ Tel: 63-2-634-9065 シンガポール Tel: 65-6334-8870 台湾 - 新竹 Tel: 886-3-577-8366 台湾 - 高雄 Tel: 886-7-213-7830 台湾 - 台北 Tel: 886-2-2508-8600 タイ - バンコク Tel: 66-2-694-1351 ベトナム - ホーチミン Tel: 84-28-5448-2100

オーストリア - ヴェルス Tel: 43-7242-2244-39 Fax: 43-7242-2244-393 デンマーク - コペンハーゲン Tel: 45-4450-2828 Fax: 45-4485-2829 フィンランド - エスポー Tel: 358-9-4520-820 フランス - パリ Tel: 33-1-69-53-63-20 Fax: 33-1-69-30-90-79 ドイツ - ガーヒンク Tel: 49-8931-9700 ドイツ - ハーン Tel: 49-2129-3766400 ドイツ - ハイルブロン Tel: 49-7131-67-3636 ドイツ - カールスルーエ Tel: 49-721-625370 ドイツ - ミュンヘン Tel: 49-89-627-144-0 Fax: 49-89-627-144-44 ドイツ - ローゼンハイム Tel: 49-8031-354-560 イスラエル - ラーナナ Tel: 972-9-744-7705 イタリア - ミラノ Tel: 39-0331-742611 Fax: 39-0331-466781 イタリア - パドヴァ Tel: 39-049-7625286 オランダ - ドリューネン Tel: 31-416-690399 Fax: 31-416-690340 ノルウェー - トロンハイム Tel: 47-7289-7561 ポーランド - ワルシャワ Tel: 48-22-3325737 ルーマニア - ブカレスト Tel: 40-21-407-87-50 スペイン - マドリッド Tel: 34-91-708-08-90 Fax: 34-91-708-08-91 スウェーデン - ヨーテボリ Tel: 46-31-704-60-40 スウェーデン - ストックホルム Tel: 46-8-5090-4654 イギリス - ウォーキンガム Tel: 44-118-921-5800 Fax: 44-118-921-5820

http://www.microchip.com/http://www.microchip.com/

本書の内容参考文献目次1. QTouchペリフェラルタッチコントローラ(PTC)の概要2. 自己および相互容量計測パラメータの最適化2.1 最適化の条件と目標2.1.1 ランダムノイズの低減

2.2 最適化の方法論2.2.1 変数2.2.2 処理フロー図2.2.3 デルタの計測用パラメータの初期化2.2.4 デルタの計測2.2.5 アナログゲインの調整2.2.6 しきい値の調整2.2.7 ノイズ計測メールボックス 2.2.8 ノイズの計測2.2.9 Rsの調整2.2.10 QT1ボードのボタンの例2.2.11 オーバーサンプリング(OSR)の調整2.2.12 オーバーサンプリングと周波数ホッピング2.2.13 更新と周波数ホッピング2.2.14 デジタルゲイン

2.3 タイミングの最適化2.3.1 PRSC2.3.2 補償容量(CC)2.3.3 単一ノードのアクイジション時間: Tacq2.3.4 パネルノードのアクイジション時間: Tscan2.3.5 Rsの直列フィルタ抵抗に対するCSDの最適化

2.4 パラメータの診断

3. PTC Toolbox3.1 PTCコンソールコマンド3.1.1 ヘルプコマンド3.1.2 ptc > cmd help3.1.3 ptc > get help3.1.4 ptc > set help3.1.5 ptc > show_signals help

4. 開発ツール4.1 はじめに4.2 SAMA5D2 PTCソフトウェア4.3 SAMA5D2 PTC評価用ボード4.4 標準タッチボード: QT1、QT2、QT6 Xplained Pro4.5 カスタム基板4.6 起動/校正時間

5. ノイズ耐性に関する推奨事項5.1 はじめに5.2 伝導性ノイズの定義5.3 ノイズ耐性のチューニング5.4 VDDANAの変化に対する耐性

6. タッチ感度に影響を及ぼす要因6.1 センサ設計6.2 自己容量計測用の電極のサイズ6.3 相互容量計測用の電極のサイズ6.4 誘電体パネルの厚さと素材6.5 グランド負荷6.6 グランドへの戻り

7. 改定履歴7.1 リビジョンA - 2017年11月

Microchip社のウェブサイトお客様向け変更通知サービスカスタマサポートMicrochip社のデバイスコード保護機能法律上の注意点商標DNVによる品質管理システム認証各国の営業所とサービス

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QTouch PTC SAMA5D2 MPU - Microchip...

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