Sensibili solo al tocco

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Esistono differente tecnologie di touch sensing che presentano specifici vantaggi in relazione a particolari applicazioni; la scelta va fatta quindi prendendo in considerazione alcuni fattori determinanti.

Uno dei vantaggi derivanti dall'uso di touch sensor capacitivi è la facilità con cui si possono raggiungere alti livelli di protezione. Tutti i componenti elettronici sensibili possono infatti essere collocati dietro uno schermo di vetro o plastica e, almeno finché la presenza di un sigillante o di una adatta guarnizione è in grado di assicurare una perfetta tenuta, risultano completamente protetti da umidità, schizzi d'acqua e altre sostanze contaminanti. Questo però non ci autorizza a definire i sensori capacitivi come la tecnologia vincente in assoluto per l'impiego in ambienti bagnati o sporchi. In prima approssimazione possiamo certamente affermare che essi possono essere molto utili in questo tipo di applicazioni, ma ciò non basta: assieme ai sensori occorre progettare l'intero pannello in modo che le caratteristiche elettriche degli agenti contaminanti con cui può venire a contatto non abbiano alcuna influenza sul circuito di comando. Senza però ridurre la sensibilità al tocco e, comunque, tenendo presente che la migliore soluzione è sempre quella basata su una buona dose di compromesso. Il problema nasce dal fatto che i circuiti associati al sensore sono dimensionati per rilevare anche minime variazioni di capacità alla superficie del pannello. L'umidità, soprattutto se contaminata da tensioattivi ionici come quelli contenuti nei prodotti chimici per la pulizia o nel grasso delle dita, può causare variazioni di capacità dello stesso ordine di grandezza. E se ciò accade abbastanza rapidamente, può assomigliare molto al segnale prodotto dallo sfioramento della punta di un dito, provocando così lo stesso effetto, anche se non voluto. È quello che succede quando la superficie viene colpita dallo spruzzo di un liquido, oppure quando un getto di aria calda e umida investe il pannello molto freddo, ricoprendolo di condensa in pochi millisecondi. Tutto ciò può causare una variazione di capacità sufficientemente veloce da essere interpretata dal circuito come un vero e proprio tocco: cosa del tutto indesiderabile e che può avere gravi conseguenze sulla sicurezza della applicazione. Fortunatamente esistono diverse tecniche in grado di aiutarci ad evitare o superare problemi di questo tipo; in alcune applicazioni particolarmente critiche si può addirittura ricorrere all'azione combinata di più metodologie per garantire un controllo veramente affidabile.

Progettare una soluzione efficace
Una attenta analisi dell'ambiente entro il quale il prodotto verrà utilizzato è un fondamentale punto di partenza. Questo aiuterà a stabilire in primo luogo se i sensori capacitivi sono la scelta giusta per il caso specifico e, in caso affermativo, a individuare il corretto mix di precauzioni da adottare per utilizzarli al meglio. Esistono alcune applicazioni per le quali è consigliabile indirizzarsi subito verso soluzioni alternative e per evitare inutili perdite di tempo è importante rendersene conto il più presto possibile. In linea di massima, l'impiego dei sensori capacitivi è sconsigliato nelle applicazioni che seguono: rilevazione del tocco attraverso metalli o altri materiali conduttivi; rilevazione del tocco sott'acqua; in qualsiasi applicazione che richieda misure assolute. In tutti gli altri casi, esistono diverse metodologie in grado di garantire una buona affidabilità: dal dimensionamento del progetto scegliendo la tecnologia di sensori più adatta, fino alla introduzione nel firmware del processore di accorgimenti per ridurre la sensibilità alla contaminazione della superficie. E comunque, conviene sempre verificare fin dall'inizio se è possibile ridurre il problema con opportuni interventi di ingegnerizzazione, attingendo tra le diverse possibili soluzioni, applicate anche congiuntamente. Ad esempio:
1.    Montare il pannello di controllo dietro una protezione o allontanarlo da possibili fonti di contaminazione.
2.    Montare il pannello di controllo verticalmente in modo da impedire la formazione e la stagnazione di strati di liquido.
3.    Disattivare il pannello di controllo in tutte quelle situazioni in cui è altamente probabile il formarsi di contaminazione. Ad esempio, se si produce condensa quando viene aperta la porta di un forno, un interblocco che disabiliti il pannello finché la porta rimane aperta può essere sicuramente una buona soluzione.

Scegliere la tecnologia più adatta
Il passo successivo consiste nel verificare se la tecnologia di touch sensing scelta è quella più adatta al caso specifico. In prima battuta va fatta una distinzione tra sensori single ended a capacità propria (self capacitance), come quelli previsti per la famiglia di prodotti Atmel QTouch, e sensori a capacità mutua (mutual capacitance) con elettrodi sdoppiati, adatti alla serie Atmel QMatrix. Entrambe le tipologie presentano specifici vantaggi in relazione a particolari applicazioni, e la scelta va fatta prendendo in considerazione alcuni fattori determinanti.

Sensori a capacità propria
Questo tipo di sensori utilizza elettrodi che hanno una sola connessione diretta con il controller. Le pochissime regole in merito alla misura e alla forma degli elettrodi single ended ne fanno una soluzione semplice ed economica da implementare. I sensori a capacità propria sono adatti per tutte quelle applicazioni che richiedono una quantità limitata di pulsanti di controllo. Il principio di funzionamento si basa sulla misura dell'aumentato accoppiamento tra elettrodo e terra, attraverso qualsiasi percorso disponibile; procedura che, in applicazioni soggette ad acqua e a contaminazioni, presenta sia vantaggi che svantaggi. La zona sensibile al tocco può essere estesa a tutto lo spazio sovrastante il sensore, cosa molto utile qualora l'utente indossi guanti molto spessi. Tuttavia, qualunque situazione che aumenti l'accoppiamento verso terra, come ad esempio uno strato di acqua sopra il sensore, verrà interpretata come un tocco. Per questa ragione, i sensori a capacità propria sono particolarmente sensibili alle contaminazioni della superficie e uno schizzo improvviso può causare una falsa attivazione, ma fortunatamente esistono diverse tecniche in grado di incrementarne notevolmente l'affidabilità.

ll canale di guardia
I touch sense processor Atmel mettono a disposizione un buon numero di queste soluzioni già all'interno del proprio firmware, come ad esempio l'Adjacent Key Suppression : questa funzione permette di configurare i tasti in modo che, una volta attivati, inibiscano l'ulteriore attivazione di tasti contigui. In tal modo si può ottenere l'intervento di un solo tasto alla volta, impedendo che un eventuale strato di liquido possa azionare i tasti adiacenti. Un'altra modalità per rendere ancor più efficace questa soluzione è quella nota come "canale di guardia" (o canale anti-strofinamento). Si tratta di un sensore addizionale solitamente a forma di nastro che viene disposto attorno agli altri sensori del pannello e configurato in modo da risultare molto sensibile all'azione dei contaminanti. Il processore è calibrato per ignorare ogni segnale proveniente dagli altri sensori dopo la sensibilizzazione del “canale di guardia”, come nel caso che il pannello sia investito da uno spruzzo di acqua, coperto da condensa, o strofinato con un panno. La protezione che questo sistema offre contro falsi segnali è veramente efficace. I canali di guardia possono essere configurati tramite AKS, semplicemente modificando il contenuto della memoria del dispositivo durante la fase di configurazione.

Sensori a capacità mutua
I sensori a capacità mutua, specifici per la tecnologia Atmel Qmatrix, utilizzano due elettrodi strettamente accoppiati per ogni touch channel. Tali elettrodi, pur essendo vincolati a strette limitazioni dimensionali, possono essere costituiti da un numero elevato di pulsanti, slider e matrici XY per la implementazione del touch screen. Questi sensori, funzionando in maniera opposta a quelli a capacità propria, offrono molti vantaggi quando si ha a che fare con problematiche di contaminazione superficiale. Essi, infatti, misurano la caduta di accoppiamento tra gli elettrodi che si verifica all'avvicinarsi del dito dell'utilizzatore. Proprio per questo motivo, qualsiasi cosa provochi un aumento di accoppiamento, come strati di liquido sugli elettrodi, tenderà ad allontanare il sensore dalla soglia di innesco, conferendogli un'efficace protezione contro falsi trigger provocati dalla contaminazione della superficie. In molte applicazioni questa immunità intrinseca è sufficiente e non richiede altre misure di protezione, mentre in ambienti più problematici può essere necessario ricorrere a misure aggiuntive, come i canali di guardia.

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