18.【NXP 号令者RT1052】开发——实战-电容触摸按键

18.【NXP 号令者RT1052】开发——实战-电容触摸按键

上一章，我们介绍了 RT1052 的输入捕获功能及其使用。这一章，我们将向大家介绍如何通过输入捕获功能，来做一个电容触摸按键。在本章中，我们将用 QTMR3 的通道 2（P118）来做输入捕获，并实现一个简单的电容触摸按键，通过该按键控制 DS1 的亮灭。

18.1 电容触摸按键简介

18.1.1 电容触摸按键原理简介

电容式触摸按键利用手指与覆铜间形成的寄生电容变化实现检测，寿命长、省空间、免开孔，已成为手机等轻薄设备的主流方案。

本章通过号令者 RT1052 的 TSI 模块读取板载 TPAD 覆铜电容值，一旦检测到触摸即点亮 DS1，手指离开则熄灭，全程仅需一块铜箔即可实现稳定可靠的触摸开关。

这里我们使用的是检测电容充放电时间的方法来判断是否有触摸，图中 R 是外接的电容充电电阻，Cs 是没有触摸按下时 TPAD 与 PCB 之间的杂散电容。而 Cx 则是有手指按下的时候，手指与 TPAD 之间形成的电容。图中的开关是电容放电开关（由实际使用时，由 RT1052 的 IO代替）。

先用开关将 Cs（或 Cs+Cx）上的电放尽，然后断开开关，让 R 给 Cs（或 Cs+Cx）充电，当没有手指触摸的时候，Cs 的充电曲线如图中的 A 曲线。而当有手指触摸的时候，手指和 TPAD之间引入了新的电容 Cx，此时 Cs+Cx 的充电曲线如图中的 B 曲线。从上图可以看出，A、B 两种情况下，Vc 达到 Vth 的时间分别为 Tcs 和 Tcs+Tcx。

其中，除了 Cs 和 Cx 我们需要计算，其他都是已知的，根据电容充放电公式：

Vc=V0*(1-e^(-t/RC))

其中 Vc 为电容电压，V0 为充电电压，R 为充电电阻，C 为电容容值，e 为自然底数，t 为充电时间。根据这个公式，我们就可以计算出 Cs 和 Cx。

在本章中，其实我们只要能够区分 Tcs 和 Tcs+Tcx，就已经可以实现触摸检测了，当充电时间在 Tcs 附近，就可以认为没有触摸，而当充电时间大于 Tcs+Tx 时，就认为有触摸按下（Tx 为检测阀值）。

本章，我们使用 P118（GPIO1_IO18，即 QTMR3_CH2)）来检测 TPAD 是否有触摸，在每次检测之前，我们先配置 P118 为推挽输出，输出低电平，将电容 Cs（或 Cs+Cx）放电，然后配置 P118 为浮空输入，利用外部上拉电阻给电容 Cs(Cs+Cx)充电，同时开启 QTMR3_CH2 的输入捕获，检测上升沿，当检测到上升沿的时候，就认为电容充电完成了，完成一次捕获检测。

在 MCU 每次复位重启的时候，我们执行一次捕获检测（可以认为没触摸），记录此时的值，记为 tpad_default_val，作为判断的依据。在后续的捕获检测，我们就通过与 tpad_default_val 的对比，来判断是不是有触摸发生

18.1.2 四定时器输入捕获原理简介

关于四定时器（QTMR）我们在第十五章和第十六章有过一些介绍，RT1052 内部包含了 4个四定时器，每个四定时器又有 4 个通道，每个通道又可以作为 PWM 输出或者作为输入捕获。
本章，我们就是利用四定时器 3 的通道 2（QTMR3_CH2）来做输入捕获。
图中 CNTR 是 QTMR3 的计数器，向上计数模式，范围为 0~65535；CAPT1 是没触摸按下时的输入捕获值；CAPT2 是有触摸按下时的输入捕获值；Vth 为 RT1052 IO 口的高电平阈值，查数据手册可知为：0.7NVCC_GPIOx=0.73.3=2.31V ，QTMR3 定时器工作在上升沿捕获模式，只要检测到通道 2（TPAD）有上升沿，就立即读取 CAPT 的值，以此为依据来判定是否有电容触摸按键按下了。
没触摸按下时，识别过程为：首先控制捕获 IO 口（P118）为推挽输出，然后输出低电平，给 TPAD 和 PCB 之间的杂散电容（Cs）放电，让 TPAD 电压恢复低电平，并重置 CNTR 计数器（t1 时刻），然后设置捕获 IO 为浮空输入并立即启动定时器（工作在上升沿捕获模式），然后等待 IO 口变为高电平（电压≥Vth，t2 时刻），此时可以将捕获到的值（记为 CAPT1）保存起来，完成一次检查，再经过一段时间的充电，TPAD 的电压将达到 3.3V（t3 时刻）。
有触摸按下时，识别过程为：首先控制捕获 IO 口（P118）为推挽输出，然后输出低电平，给手指+TPAD 和 PCB 之间的杂散电容（Cx）放电，让 TPAD 电压恢复低电平，并重置 CNTR计数器（t5 时刻），然后设置捕获 IO 为浮空输入并立即启动定时器（工作在上升沿捕获模式），然后等待 IO 口变为高电平（电压≥Vth，t6 时刻），此时可以将捕获到的值（记为 CAPT2）保存起来，完成一次检查。
因为有手指按下 TPAD 时，杂散电容（Cx）大于没按下时的（Cs），因此有触摸时，TPAD的上升沿会缓慢一些，从而 CAPT2 也会大一些。因此可以通过 CAPT2 和 CAPT1 的比较，来识别是否有触摸按键按下，这就是电容式触摸按键的工作原理。

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RT1052 QTIMER3 输入捕获配置步骤

1. 设置 GPIO1_IO18 复用功能

IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_AD_B1_02_QTIMER3_TIMER2,0); 
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_AD_B1_02_QTIMER3_TIMER2,0x10C1);

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2. 使能 QTIMER3 时钟

CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Timer3);

此函数会被 QTMR_Init 调用，无需显式调用。

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3. 初始化 QTIMER3

qtmr_config_t qtimer3_config;
QTMR_GetDefaultConfig(&qtimer3_config); //先设置为默认配置
qtimer3_config.primarySource=kQTMR_ClockDivide_4; //设置第一时钟源
QTMR_Init(TMR3,kQTMR_Channel_2,&qtimer3_config); //初始化 QTIMER

这里选择 IPG_CLK_ROOT 的 4 分频作为 QTIMER3 第一时钟源。

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4. 设置 QTIMER3_TIMER2 为输入捕获

void QTMR_SetupInputCapture(TMR_Type * base,qtmr_channel_selection_t channel,qtmr_input_source_t capturePin,bool inputPolarity,bool reloadOnCapture,qtmr_input_capture_edge_t captureMode)

输入源枚举

typedef enum _qtmr_input_source
{kQTMR_Counter0InputPin = 0, //counter0 输入引脚kQTMR_Counter1InputPin,     //counter1 输入引脚kQTMR_Counter2InputPin,     //counter2 输入引脚kQTMR_Counter3InputPin      //counter3 输入引脚
} qtmr_input_source_t;

捕获边沿枚举

typedef enum _qtmr_input_capture_edge
{kQTMR_NoCapture = 0,       //关闭捕获kQTMR_RisingEdge,          //上升沿捕获kQTMR_FallingEdge,         //下降沿捕获kQTMR_RisingAndFallingEdge //双边沿捕获
} qtmr_input_capture_edge_t;

示例代码

QTMR_SetupInputCapture(TMR3,kQTMR_Channel_2,kQTMR_Counter2InputPin,0,0,kQTMR_RisingEdge);

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5. 开启 QTIMER3

//通道 0 在 primary 时钟源的上升沿计数
QTMR_StartTimer(TMR3, kQTMR_Channel_2, kQTMR_PriSrcRiseEdge); 

18.2 硬件设计

本实验用到的硬件资源有：

1. 指示灯 DS0 和 DS1
2. 定时器 QTMR3
3. 触摸按键 TPAD
   前面两个之前均有介绍，我们需要通过 QTMR3_TIMER2（P118）采集 TPAD 的信号，所以本实验需要用跳线帽短接多功能端口（P11）的 TPAD 和 ADC，以实现 TPAD 连接到 P118。

硬件设置（用跳线帽短接多功能端口的 ADC 和 TPAD 即可）好之后，下面我们开始软件设计.

18.3 软件设计

软件设计我们在之前的工程上面增加，在 HARDWARE 文件夹下新建 TPAD 的文件夹。然后打开 USER 文件夹下的工程，新建一个 tpad.c 的文件和 tpad.h 的头文件，保存在 TAPD 文件夹下，并将 TPAD 文件夹加入头文件包含路径.
tpad.c

#include "tpad.h"
#include "delay.h"		    
#include "lpuart.h"#define TPAD_CAP_MAX_VAL 0XFFFF			//捕获最大值
vu16 tpad_default_val=0;				//空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间//初始化触摸按键
//获得空载的时候触摸按键的取值.
//psc:分频系数,越小,灵敏度越高.
//返回值:0,初始化成功;1,初始化失败
u8 TPAD_Init(u8 psc)
{u16 buf[10];u16 temp;u8 j,i;QTMR3_CH2_CAP_Init(psc);	//设置分频系数for(i=0;i<10;i++)			//连续读取10次{				 buf[i]=TPAD_Get_Val();delay_ms(10);	    }				    for(i=0;i<9;i++)//排序{for(j=i+1;j<10;j++){if(buf[i]>buf[j])//升序排列{temp=buf[i];buf[i]=buf[j];buf[j]=temp;}}}temp=0;for(i=2;i<8;i++)temp+=buf[i];//取中间的6个数据进行平均tpad_default_val=temp/6;printf("tpad_default_val:%d\r\n",tpad_default_val);	if(tpad_default_val>TPAD_CAP_MAX_VAL/2)return 1;//初始化遇到超过TPAD_ARR_MAX_VAL/2的数值,不正常!return 0;		     	    					   
}//复位一次
//释放电容电量，并清除定时器的计数值
void TPAD_Reset(void)
{gpio_pin_config_t tpad_config;	IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_AD_B1_02_GPIO1_IO18,0);	  IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_AD_B1_02_GPIO1_IO18,0x10B0);tpad_config.direction=kGPIO_DigitalOutput;	//输出tpad_config.interruptMode=kGPIO_NoIntmode;	//不使用中断功能tpad_config.outputLogic=1;					//默认高电平GPIO_PinInit(GPIO1,18,&tpad_config); 	    //初始化GPIO1_3GPIO_PinWrite(GPIO1,18,0);                  //GPIO1_IO18输出0,放电delay_ms(5);QTMR_ClearStatusFlags(TMR3,kQTMR_Channel_2,kQTMR_EdgeFlag); //清除边沿捕获标记TMR3->CHANNEL[kQTMR_Channel_2].CNTR=0;			            //归零    //配置QTIMER_TIMER3相关IO(GPIO_AD_B1_02)的功能IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_AD_B1_02_QTIMER3_TIMER2,0);	  IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_AD_B1_02_QTIMER3_TIMER2,0x10C1);
}//得到定时器捕获值
//如果超时,则直接返回定时器的计数值.
//返回值：捕获值/计数值（超时的情况下返回）
u16 TPAD_Get_Val(void)
{				   TPAD_Reset();while((QTMR_GetStatus(TMR3,kQTMR_Channel_2)&(kQTMR_EdgeFlag))!=kQTMR_EdgeFlag)//等待捕获上升沿{if(TMR3->CHANNEL[kQTMR_Channel_2].CNTR>TPAD_CAP_MAX_VAL-500)return TMR3->CHANNEL[kQTMR_Channel_2].CNTR;//超时了,直接返回CNT的值};	return TMR3->CHANNEL[kQTMR_Channel_2].CAPT;	  
} 	//读取n次,取最大值
//n：连续获取的次数
//返回值：n次读数里面读到的最大读数值
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n)
{ u16 temp=0; u16 res=0; u8 lcntnum=n*2/3;//至少2/3*n的有效个触摸,才算有效u8 okcnt=0;while(n--){temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值if(temp>(tpad_default_val*5/4))okcnt++;//至少大于默认值的5/4才算有效if(temp>res)res=temp;}if(okcnt>=lcntnum)return res;//至少2/3的概率,要大于默认值的5/4才算有效else return 0;
}  
//扫描触摸按键
//mode:0,不支持连续触发(按下一次必须松开才能按下一次);1,支持连续触发(可以一直按下)
//返回值:0,没有按下;1,有按下;										  
u8 TPAD_Scan(u8 mode)
{static u8 keyen=0;	//0,可以开始检测;>0,还不能开始检测	 u8 res=0;u8 sample=3;	//默认采样次数为3次	 u16 rval;if(mode){sample=6;	//支持连按的时候，设置采样次数为6次keyen=0;	//支持连按	  }rval=TPAD_Get_MaxVal(sample); if(rval>(tpad_default_val*4/3)&&rval<(10*tpad_default_val))//大于tpad_default_val+(1/3)*大于tpad_default_val,且小于10倍tpad_default_val,则有效{							 if(keyen==0)res=1;	//keyen==0,有效 //printf("r:%d\r\n",rval);		     	    					   keyen=3;				//至少要再过3次之后才能按键有效   } if(keyen)keyen--;		   							   		     	    					   return res;
}	 //初始化QTMR3定时器CH2 输入捕获 
//prisrc : 第一时钟源选择
//         0000~0011,通道0~3的输入引脚.
//         0100~0111,通道0~3的输出.可用于级联.
//         1000~1111,IPG_CLK_ROOT时钟的:1,2,4,8,16,32,64,128分频.
//捕获计时频率=QTMR3_CLK=IPG_CLK_ROOT/2^(prisrc-8); 
//假设prisrc=1011,则QTMR3_CLK=IPG_CLK_ROOT/8=18.75MHz. 
void QTMR3_CH2_CAP_Init(u8 prisrc)
{qtmr_config_t qtimer3_config;qtmr_primary_count_source_t qtimer3_source;u32 ipgclk=CLOCK_GetFreq(kCLOCK_IpgClk);     //获取IPG_CLK=150Mhzqtimer3_source=(qtmr_primary_count_source_t)prisrc;//IO设置    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_AD_B1_02_QTIMER3_TIMER2,0);	  IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_AD_B1_02_QTIMER3_TIMER2,0x10C1);//IOMUXC->SELECT_INPUT[kIOMUXC_QTIMER3_TIMER2_SELECT_INPUT]=1;	//选择TMR3_CH2的输入接到GPIO_AD_B1_02(GPIO1_IO18,ALT1)QTMR_GetDefaultConfig(&qtimer3_config);             //先设置为默认配置，后面在根据实际情况配置qtimer3_config.primarySource=qtimer3_source;        //设置第一时钟源QTMR_Init(TMR3,kQTMR_Channel_2,&qtimer3_config);    //初始化QTIMER//设置输入捕获QTMR_SetupInputCapture(TMR3,kQTMR_Channel_2,kQTMR_Counter2InputPin,0,0,kQTMR_RisingEdge);//开始通道0QTMR_StartTimer(TMR3, kQTMR_Channel_2,kQTMR_PriSrcRiseEdge);    //通道0在primary时钟源的上升沿计数 
}

此部分代码包含 6 个函数，接下来我们分别介绍这几个函数。
TPAD_Init 函数，用于初始化输入捕获，并获取默认的 TPAD 值。该函数有一个参数，用来设置 QTMR3 的第一时钟源，其实是为了配置 QTMR3_CH2_CAP_Init 的计数频率。在该函数中连续 10 次读取 TPAD 值，将这些值升序排列后取中间 6 个值再做平均（这样做的目的是尽量减少误差），并赋值给 tpad_default_val，用于后续触摸判断的标准。

TPAD_Reset 函数，用于复位 TPAD，其实就是为了给 TPAD 的杂散电容放电，以便启动下一次测量。该函数先设置 P118 为推挽输出，然后输出低电平，延时 5ms，充分放电。然后再清除 QTMR3 通道 2 的捕获标志，并清零其计数器，最后配置 P118 为浮空输入，以便后续检测。

TPAD_Get_Val 函数，用于获取一次捕获值，相当于扫描一次 TPAD 按键。该函数先复位TPAD，然后等待捕获上升沿，并返回捕获值。

TPAD_Get_MaxVal 函数，用于连续获取 n 次捕获值，如果其中 2/3 的概率获取的值大于默认值的 5/4，则返回 n 次捕获里面的最大值。否则返回 0，视为无效。这里的 2/3 和 5/4 是自己定义的，大家可以根据自己的需要，进行修改。

TPAD_Scan 函数，用于扫描 TPAD 是否有触摸，该函数的参数 mode，用于设置是否支持连续触发。返回值如果是 0，说明没有触摸，如果是 1，则说明有触摸。该函数包含了一个静态变量，用于检测控制，类似第七章的 KEY_Scan 函数。所以该函数同样是不可重入的。在函数中，我们通过连续读取 3 次(不支持连续按的时候)TPAD 的值，取这他们的最大值，和tpad_default_val4/3 比较（且必须小于 10tpad_default_val），如果大于则说明有触摸，如果小于，则说明无触摸。其中 tpad_default_val 是我们在调用 TPAD_Init 函数的时候得到的值，然后取其 4/3 为门限值。该函数，我们还做了一些其他的条件限制，让触摸按键有更好的效果，这个就请大家看代码自行参悟了。

QTMR3_CH2_CAP_Init 函数，用于初始化四定时器 3 的通道 2，用作输入捕获功能，其初始化步骤和我们 18.1.2 节介绍的步骤一样。最终配置 QTMR3 的通道 2 作为上升沿捕获。

tpad.h

在这里插入代码片#ifndef __TPAD_H
#define __TPAD_H
#include "sys.h"	//空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间
//这个值应该在每次开机的时候被初始化一次
extern vu16 tpad_default_val;void TPAD_Reset(void);
u16  TPAD_Get_Val(void);
u16  TPAD_Get_MaxVal(u8 n);
u8   TPAD_Init(u8 systick);
u8   TPAD_Scan(u8 mode);
void QTMR3_CH2_CAP_Init(u8 prisrc);    
#endif

main.c

#include "sys.h"
#include "lpuart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "tpad.h" int main(void)
{u8 t=0;MPU_Memory_Protection();    //初始化MPURT1052_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4);//中断优先级分组4RT1052_Clock_Init();	    //配置系统时钟DELAY_Init(600);		    //延时函数初始化LPUART1_Init(115200);       //初始化串口1LED_Init();				    //初始化LED  KEY_Init();                 //初始化按键TPAD_Init(10); 	            //初始化触摸按键,以150/1=150Mhz频率计数while(1){					  						  		 if(TPAD_Scan(0))		//成功捕获到了一次上升沿(此函数执行时间至少15ms){LED1_Toggle;	    //LED1取反}t++;if(t==15)		 {t=0;LED0_Toggle;	    //LED0取反,提示程序运行}delay_ms(10);}
}

该 main 函数比较简单，TPAD_Init(10)函数执行之后，就开始触摸按键的扫描，当有触摸的时候，对 DS1 取反，而 DS0 则有规律的间隔取反，提示程序正在运行。注意在修改 main 函数之后，还需要在 test.c 里面添加 tpad.h 头文件，否则会报错哦。
这里还要提醒一下大家，不要把 lpuart1_init(115200)去掉，因为在 TPAD_Init 函数里面，我们有用到 printf，如果你去掉了 uart_init，就会导致 printf 无法执行，从而死机。
至此，我们的软件设计就完成了

编译，下载！

同时大家可以打开串口调试助手，每次复位的时候，会收到 tpad_default_val 的值，一般
为 74 左右。

总结

电容触摸按键的原理是利用手指靠近或触摸电极时引入额外电容，使得电极与电阻形成的充放电时间发生变化；通过定时器输入捕获检测电容充电达到阈值电压的时间差，就能区分是否有触摸发生，从而实现按键功能。
OK！谢谢大家！