摘要
本文介紹了使用MSP430 作為主處理器實現可充電的觸屏遙控模塊，該設計方案支持紅外（IR）信號傳輸，且可擴展RF 和NFC 無線傳輸方式；用戶輸入采用觸摸按鍵實現，設計簡潔美觀；系統可由電池供電，且自帶可充電模塊，可由USB 或者直流電源適配器充電。TI 的430 系列MCU產品功耗低，可為便攜式電子設備提供更長的使用壽命；其內嵌LCD 驅動器，可以方便實時顯示監測數據；其支持多種觸摸按鍵實現方式，設計簡便靈活。
簡介
遙控設備在日常生活中非常易見，家電遙控器、玩具遙控器等方便了用戶對設備的控制。針對不同需求，遙控設備設計也不同，例如電視機遙控器不帶顯示屏，通常用紅外信號傳輸；空調遙控器則帶顯示屏，常用紅外（IR）和射頻（RF）傳輸信號；另有一些高端遙控產品可通過手機等更新固件，實現版本的升級。本文介紹了一套用于遙控設備的通用方案，該方案支持 LCD 顯示； 支持紅外通信且可擴展射頻通信方式；用戶輸入采用觸摸按鍵實現，時尚美觀；本方案預留NFC 接口，可擴展 NFC 功能；在電源管理方面，支持電池供電，USB 充電和無線充電，方便實用。
1 原理介紹
1.1 電容式觸摸按鍵原理
觸摸按鍵在電子設備中得到越來越多的應用。用觸摸按鍵實現人機交互的電磁爐，微波爐，電冰箱等家電產品越來越受青睞，預計未來會有越來越多的觸摸按鍵產品取代傳統的機械式按鍵產品。觸摸按鍵具有堅固耐用，反應速度快，節省空間，美觀大方，易于清潔等諸多優點。觸摸式按鍵可分為四大類，電阻式，電容式，紅外線式及表面聲波式感應按鍵。其中電阻式，紅外線式和表面聲波按鍵主要應用于觸摸屏中，在單個按鍵中很少使用。本方案將重點討論電容式觸摸按鍵在單個按鍵中的應用。
電容式觸摸按鍵采用電容量為判斷標準，在觸摸按鍵的設計中，它具有一些優點，例如可直接集成在 PCB 中，觸摸感應區域外形尺寸設計靈活，相對成本較低等等。簡單來講，電容式觸摸按鍵在按下的時候改變了電容值，從而改變電路振蕩周期，通過對振蕩周期改變值的檢測實現對按鍵的檢測。圖1 是電容式觸摸按鍵原理示意圖。
圖 1 觸摸按鍵原理示意圖
空載狀態下，感應區域電容由材料和結構決定（圖 1 左上圖）,電容值為 C1+C2。變化電容基于寄生效應，主要由外界導體與PAD 之間的寄生電容組成（圖1 右下圖），手指按下，寄生電容值變化，容值為 C1+C2+C3||C4。將此電容接入電路組成振蕩器，電容值的改變導致振蕩電路輸出頻率變化，通過測量輸出頻率判斷按鍵的觸發狀態。
按鍵感應區域設計需要避免誤觸發以及兼顧靈敏度。通常來說，單個按鍵感應區域需要做的足夠大，以達到識別按鍵目的；相鄰按鍵感應區域應保持一定距離，避免誤觸發；觸摸感應區形狀原則上可任意，單個按鍵以圓形、方形為佳。
TI 的MSP430 支持多種觸摸實現方式，參考文檔[1]。
1.2 紅外信號傳輸原理
紅外遙控原理可參考文檔[2]。本文采用 NEC 協議編碼，簡單說是通過脈沖串之間的時間間隔來表示邏輯“0”和邏輯“1”。載波信號頻率為38k，邏輯“1”用 0.56ms 的 38k 載波和 1.5ms的無載波表示，邏輯“0”用0.56ms 的載波和0.56ms 的無載波表示，幀頭用9ms 載波加4.5ms無載波表示。編碼幀格式參考圖2，具體格式定義可根據實際情況稍作修改。
圖 2 紅外編碼數據幀格式
TI 的 MSP430 系列 MCU 自帶 Timer，可方便產生 38k 載波，編碼時的載波有無控制可由Timer 的 PWM 輸出模塊實現[3]。其 PWM 輸出模塊可配置成 7 種輸出方式，可方便實現上述編碼。采用MSP430 的Timer 的PWM 輸出功能，僅需要一個Timer 和一路PWM 即可輕松實現紅外編碼，無需額外硬件，軟件實現簡單。為系統設計節省成本和開發時間。
1.3 可充電觸屏遙控模塊方案設計
傳統的遙控模塊采用機械按鍵實現，本方案采用觸摸按鍵設計，按鍵和顯示在同一塊LCD 屏上，外形時尚、美觀。本方案作為參考設計，除了遙控器基本功能（按鍵，顯示，發射，按鍵聲）外，還設計了充電和 USB 模塊，并擴展了 RF 和 NFC 接口。可充電方式提高了靈活性，用戶僅需要充電而不必更換電池。USB 模塊可實現和 PC 端應用軟件通信。本方案不僅僅是遙控器方案，在其他應用領域，本方案也有很大的參考價值，用戶僅需要根據需求對本方案功能模塊進行裁剪即可。本方案電源模塊支持電池供電和USB 或直流適配器充/供電；觸摸按鍵采用比較器B實現；RF 和NFC 模塊采用SPI 和MCU 接口；MSP430 自帶的USB 模塊可方便與PC 端應用軟件接口，實現PC 和MCU 的雙向通信。系統框圖如圖3 所示。
圖 3 系統框圖
2 設計實例
2.1 硬件設計
2.1.1 電源模塊設計
本系統采用電池供電，且設計了充電電路，支持 USB 或直流充電。電源經 LDO 穩壓后輸出3.3V 供給MCU，保證MCU 工作電壓的穩定。其電路實現如下圖4 所示。
圖 4 電源模塊電路設計
2.1.2 LCD 及背光模塊設計
MSP430F6638 自帶 LCD 控制器，可方便地驅動段式 LCD 屏。屏幕背光亮度由 Timer 輸出PWM 波控制，調節方便。背光電路設計如圖5 所示。通過改變PWM 的頻率和占空比，可改變背光亮度，從而改變LCD 屏視覺效果。
圖 5 背光電路設計
2.1.3 觸摸按鍵設計
MSP430F6638 自帶比較器 B，最多可支持 12 個觸摸按鍵，比較器 B 的輸出接入 Timer 的CLK 輸入端，當手指按下，觸摸感應區電容值發生了變化，比較器翻轉周期變長，比較器輸出作為 Timer 的計數脈沖，在固定的時間內計數值變小，根據固定時間內 Timer 計數值的變化來判斷按鍵動作。通過合適配置寄存器和軟件算法處理，可實現觸摸按鍵檢測。電路設計如圖 6 所示。注意為了降低噪聲，每通道外接電阻不宜過小，可選500k 左右。比較器B 翻轉電平通過配置寄存器實現，請參考手冊[3]。
圖 6 觸摸按鍵電路設計
2.1.4 紅外發射模塊設計
紅外模塊采用普通紅外管實現，通過配置 Timer 輸出合適的 PWM 波實現紅外編碼。紅外發射瞬間電流較大，通過MCU 的GPIO 控制三極管驅動紅外發射燈管，提高發射電流。紅外發射模塊需配合接收模塊采用同樣的編碼格式實現通信。紅外模塊電路圖如圖7 所示。
圖 7 紅外發射模塊
2.1.5 USB 模塊設計
MSP430F6638 自帶 USB 模塊，可實現 USB 通信，其硬件設計簡單。本文用 USB 虛擬
UART 實現和PC 通信。關于USB 調試請參考TI 官網資料[4]。
2.2 軟件設計
2.2.1 嵌入式軟件設計
系統軟件流程如圖 8 所示。無按鍵動作時，系統運行 RTC，顯示當前時間，溫度且把時間，溫度以及按鍵狀態（每個按鍵動作有無）信息發送給 PC。當有按鍵按下后，除了上述功能外，系統還將執行按鍵上層邏輯，比如是否進入時間設定模式，是否開蜂鳴器以及發射哪種紅外碼等等。
圖 8 軟件流程圖
2.2.2 PC 端軟件設計
為了方便實現人機交互，使用 C Sharp 語言開發了配套的 PC 端軟件實現和 MCU 的雙向通信。通過 PC 端軟件可查看 DEMO 的當前狀態，包括時間，溫度，按鍵動作等，另外也可通過PC 端改變DEMO 背光的亮度。PC 端軟件如圖9 所示。
圖 9 PC 端軟件
DEMO 通過 USB 線與 PC 端 COM 口連接，MSP430F6638 的 USB 通過軟件協議虛擬UART，在 PC 端選擇合適的 COM 端口號可實現 PC 軟件和 DEMO 的互連。圖 9 中左圖反映DEMO 的實物，當有按鍵按下的時候，對應的按鍵圖標閃爍一下，同時在記錄框輸出文字記錄這個動作(Button xx Pressed!)。最下面圖表則實時顯示當前溫度信息。
2.3 DEMO 展示
DEMO 實物如圖 10 所示。鍵盤區 12 個按鍵，每個按鍵按下圖標會閃爍一下，同時蜂鳴器會響 0.3s 左右。每個按鍵做了不同功能，可根據需求發射不同的紅外碼實現遙控器的功能。演示DEMO 中代碼支持RTC 和溫度計功能，支持靈活調整時間，同時可通過PC 端軟件來調節屏幕背光。DEMO 還可擴展光傳感模塊，可根據環境光強弱智能調節背光亮度，達到較好的視覺效果。
該 DEMO 具有通用性，在所有需要顯示和人機交互的微控制系統中均可參考此方案，只需對FW 做簡單修改即可實現所需功能。同樣，MSP430 系列眾多的產品線為客戶提供了不同成本的多種選擇。客戶可根據具體需求選擇合適的MCU 和合適的代碼模塊組合，以實現最高的性價比。
圖 10 DEMO 實物
3 總結
本方案使用MSP430F6638 作為主處理器，展示了用其實現觸屏遙控器的電子模塊設計實例。在遙控器，無線設備以及其它需要按鍵和顯示的應用場合均可參考本方案。MSP430 豐富的產品線也為前述應用場合提供了豐富的選擇，客戶可根據具體需求選擇合適的產品，達到最優性價比。
參考文檔
1. Capacitive Touch Library (SLAA490)
2. MSP430F415 在LCD 空調紅外遙控器中的應用 (ZHCA425)
3. MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User's Guide (SLAU208M)
4. Starting a USB Design Using MSP430™ MCU