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PSoC 4100S CapSenseの使い方（その2）

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Cypress PSoC 4 MCU内蔵タッチセンサ：第4世代CapSenseの使い方、2回目は、ハードウェアのタッチ・パッドやスライド・バー基板開発時のガイドラインを示します。と言っても、ソフトウェア開発に最低限必要なパッド仕組みを説明します。読者にソフトウェア開発者が多いからです。ハードウェアのPCBアートワーク担当者向けには、情報リンク先を示しています。

PSoC 4100S CapSenseの使い方（第2回内容）
PSoC 4100S CapSenseの使い方（第2回内容）

参照情報：AN85951 PSoC® 4 CapSense® Design Guide.pdf（日本語版）

タッチUIのメリット

メカニカルなボタンやスイッチでは、チャタリングや経年劣化、水濡れへの対応が必要です。タッチUIは、これらに対して有利です。また、パッド形状の自由度が高いので、スマホで一般的になった直感的なタッチ操作による優れたユーザインタフェース（UI）が実現できます。

これらタッチUIは、指をタッチ・パッドに近づけた時に生じる静電容量の変化をPSoC 4000S/4100S内蔵のCapSenseで検出し実現します。従って、確実に静電容量変化を生むパッドの基板設計が重要です。

タッチ・パッド、スライド・バー設計ガイドライン、AN85951の6.4章

静電容量変化の検出には、自己容量式（self-capacitance）、相互容量式（mutual-capacitance）という2方式があります。各方式の仕組みとパッド例が下図です。

自己容量式（左）と相互容量式（右）の仕組みとパッド例
自己容量式（左）と相互容量式（右）の仕組みとパッド例（出典：AN85951）

自己容量式は、1パッドに1個のGPIOを使います。相互容量式は、1パッドにTxとRxのGPIOペアが必要です。Txは複数ボタンで共有も可能で、自己容量式よりもGPIOを多く使うぶんタッチ検出性能が高くなります。電卓やキーパッドのような12個ボタンでも、下図のように7本のGPIOで実現できます。

マトリックス・ボタンのパッド例
マトリックス・ボタンのパッド例（出典：AN85951）

スライド・バーは、操作入力が増加、または減少する場合に用います。また、タッチ・パッドは、XとYの2次元で指位置を検出する方法で、X/Y各軸にスライド・バーを利用した例と考えれば良いでしょう。

※2019年6月現在、PSoC CreatorのCapSenseスライド・バーは、自己容量式のみをサポートしています。相互容量式は、今後のバージョンでサポート予定だそうです（AN85951、English、04/30/2019、P19）。

自己容量式スライド・バーのパッド例
自己容量式スライド・バーのパッド例（出典：AN85951）

このように、入力操作に応じたパッドを基板上にパターン設計（アートワーク）します。また、タッチ部分の基板保護のため、PCB表面に非導電性のオーバーレイ素材（タッチ表面材）を付けます。

CapSenceハードウエア構造
CapSenceハードウエア構造（出典：AN85951）

詳細なPCBレイアウト・ガイドラインは、前出AN85951の6.4章や、AN64846（日本語版）に記載されています。アートワーク担当者は参照してください（本稿は、ソフトウェア開発者が対象ですので、ガイドライン詳細説明は割愛いたします）。

このガイドラインに沿ってPCBアートワークを行えば、確実に静電容量変化を生むタッチUIパッドが開発できます。

評価ボードのパッド形状理由

本開発で用いる評価ボード、CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kitのパッド形状が、なぜこんなカタチになっているか、前章の説明でソフトウェア開発者に理解できたと思います。

PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit
タッチ・センサー基板付きで$15と安価なPSoC 4000S CapSense Prototyping Kit

つまり、上側の3パッドは、相互容量式で共有TX（1.3）と左からRX（1.6）、（1.5）、（1.4）の合計4GPIOを使います。下側は自己容量式のスライド・バーで、左から（0.6）、（0.3）、（0.2）、（0.1）、（0.0）の5GPIOを使います。TX（2.6）パターンはありますが、スライド・バーは、ソフトウェアは現在の自己容量式のみ対応です。但しハードウェアは、既に相互容量式に対応済みなのです。

パッド上下のLEDは、指タッチを検出した時に点灯させるインジケータです。また、オーバーレイ素材がパッド基板上に装着済みであることも判ります。

Capsenseパッド基板上のオーバーレイ素材
Capsenseパッド基板上のオーバーレイ素材

ガイドラインに沿って設計済み評価ボードの上側タッチ・パッド、下側スライド・バーの各パッド基板は、簡単に切離しができます。切離したパッド基板を、トラ技付録PSoC 4100S基板へ接続し、PSoC 4100S内蔵CapSenseでも開発したテンプレートを動作させる予定です。

CapSenseの使い方（その2：PCBハードウェア）まとめ

ソフトウェア開発者が最低限知るべきCapSenseのPCBハードウェアの使い方を示しました。

  1. タッチUIは、指をパッドに近づけた時に生じる静電容量変化をCapSenseで検出。このため、確実に静電容量変化を生むPCBハードウェア：パッド設計が重要。
  2. ソフトウェア開発者向けパッドPCB設計ガイドライン要旨を示し、評価ボードパッド形状の理由と、自己容量式（self-capacitance）、相互容量式（mutual-capacitance）のGPIO差を説明。
  3. PSoC 4000S評価ボードのパッド基板を切離し、トラ技付録PSoC 4100S基板と接続。 PSoC 4100SのCapSenseでも開発テンプレートを動作させ、PSoC 4000S/4100S両方対応CapSenseテンプレート化を図る。