Применение модуля измерения времени заряда CTMU

В новых 16-битных микроконтроллерах Microchip семейств PIC24FJ256GA110 (контроллер общего назначения - 4 UART, 3 SPI, 3 I²C) и PIC24FJ256GB106 (расширенная версия с USB OTG) имеется блок измерения времени заряда (CTMU - Charge Time Measurement Unit).

Рис. 1

Рассмотрим ряд примеров применения этого специализированного модуля.

1. Детектирование относительного изменения емкости

Модуль CTMU в микроконтроллерах PIC24F производства Microchip позволяет детектировать относительное изменение емкости. Наиболее ярким примером применения является реализация емкостных сенсоров (сенсорной клавиатуры).

Рис. 2

Принцип действия заключается в следующем: разряженная до 0 В суммарная емкость схемы сенсора Cf+Csw+Ccir+Cad (+ Cf) начинает заряжаться источником тока (источник подключен на выход соответствующего вывода), и заряжается в течение фиксированного времени; далее при помощи АЦП измеряется уровень напряжения, до которого зарядилась емкость АЦП Cad . Таким образом, чем больше внешняя емкость, тем ниже будут показания АЦП, что позволяет сделать вывод о наличии касания емкостного сенсора.

С более подробной информацией об управлении емкостными сенсорами можно ознакомиться в статье "Решения Microchip Technology для реализации сенсорного управления"

2. Точное измерение временных интервалов

Модуль CTMU позволяет точно измерять временные промежутки асинхронно с системной частотой, т.е. точность измерений в данном случае не ограничивается дискретностью счета таймера.

Для измерения времени необходимо откалибровать источник тока и емкость АЦП CTMU (более подробно о калибровке в документе http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39724a.pdf). Далее согласно формуле:

T = (C/I) V,

напряжение, измеренное АЦП, оказывается прямо пропорционально времени зарядки емкости. Для измерения более продолжительных временных интервалов можно подключить внешний конденсатор на вывод соответствующего канала АЦП и откалибровать суммарную емкость.

Рис. 3

Ярким примером применения точного измерения коротких временных интервалов является динамический рефлектометр (например, для измерения длины кабеля).

3. Измерение напряжения на элементе при подключении источника постоянного тока

Модуль CTMU позволяет измерять напряжение на элементе при подключении к нему источника постоянного тока. Данный метод позволяет реализовать измерение параметров внешней среды при помощи одного простейшего элемента, если ВАХ элемента зависит от этих параметров.

Например, при помощи одного диода можно реализовать измерение температуры за счет того, что прямой ток диода (источником тока выступает модуль CTMU) является коэффициентом пропорцинальности между прямым напряжением диода (измеряемого АЦП CTMU) и температурой (значение которой можно вычислить по показаниям АЦП).

Рис. 4

Аналогично, к примеру, можно реализовать измерение влажности при помощи одного кондуктометрического элемента.

4. Измерение абсолютного значения емкости

Модуль CTMU также позволяет измерять абсолютное значение емкости. Для этого необходимо откалибровать источник тока и собственную емкость АЦП (подробное описание калибровки в даташите на контроллер).

Рис. 5

Таким образом, зная ток источника, время зарядки и собственную емкость АЦП, можно определить по показаниям АЦП CTMU, абсолютное значение измеряемой емкости.

Данный метод может найти применение для детектирования нескольких емкостных кнопок (с разной собственной емкостью) на одном канале CTMU, при реализации слайдера на базе емкостных сенсоров или при управлении сенсорным дисплеем.

5. Линия задержки

Модуль CTMU в микроконтроллерах PIC24F позволяет реализовать линию задержки при помощи источника тока CTMU, компаратора и одного внешнего конденсатора. Время задержки вычисляется как T=(Cdelay/I)*Vref. Т.е. время зарядки внешнего конденсатора до опорного напряжения компаратора источником постоянного тока CTMU.

Рис. 6

Таким образом, модуль CTMU в PIC микроконтроллерах Microchip помимо реализации емкостных клавиатур, может использоваться для реализации ряда аналоговых функций, для реализации которых без CTMU потребовалось бы много внешних элементов. Помимо вышеперечисленных применений также стоит отметить такие как сверхбыстрый ШИМ и ЦАП.

Для ознакомления и быстрого освоения работы с емкостными клавиатурами, слайдерами, кейпадами на основе модуля CTMU Microchip предлагает стартовые наборы MPLAB Starter Kit for PIC24F (DM240011) и PICDEM Touch Sense 2 Demonstration Board (DM164128).

Рис. 7

MPLAB Starter Kit for PIC24F(DM240011)

• интерактивное меню, выведенное на дисплей при помощи параллельного порта PMP;
• управление емкостными сенсорами, реализованное при помощи CTMU;
• отображение времени и даты с использованием модуля часов реального времени RTCC;
• использование ШИМ и программного переназначения выводов (PPS) для управления RGB светодиодами;
• встроенный USB host;
• отображение данных в реальном времени (multitasking - АЦП и PMP);
• захват данных в реальном времени (multitasking - USB)
• интегрированный на плату программатор/дебаггер, поддерживающийся средой разработки MPLAB IDE. Требуется только шнур USB для соединения ПК.

Рис. 8

PICDEM Touch Sense 2 Demonstration Board (DM164128):

• реализован слайдер, клавиатура и кейпад на емкостных сенсорах
• специальное ПО для диагностики и отладки работы в реальном времени
• питание от USB, удобный наглядный интерфейс для работы с ПК по той же линии USB
• ICSP разъем для программирования/отладки

Илья Никифоров,
Компания Гамма Санкт-Петербург