Artikel aus dem Bereich Elektronik- und Elektrotechnik-Design

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Kombination kapazitiver Touch-Technologien mit LED Beleuchtungen – Teil 1

Gepostet am 11. Oktober 2015

Die Nutzung kapazitiver Touch-Sensoren ist in den verschiedensten elektronischen Anwendungsbereichen eine äußerst beliebte Methode zur Realisierung intuitiver Benutzeroberflächen (UI), darunter Smartphones, Tablets, LCD/LED TVs und viele weitere.
Anders als mechanische Schaltflächen, die dem Nutzer von Natur aus eine taktile Rückmeldung liefern, benötigen Touch-Buttons für ein Feedback zusätzliche Komponenten. Um den Nutzern in Touch-basierten UIs ein visuelles Feedback, sowie eine Hintergrundbeleuchtung zu bieten, finden hier häufig LEDs Verwendung.

Einige Applikationen benötigen neben dem einfachen An- und Ausschalten einer LED noch weitere visuelle Effekte. Ein Laptop kann beispielsweise seine Power-LED zunächst mit schrittweise erhöhender Helligkeit blinken lassen, und schließlich mit allmählich abnehmender Helligkeit, sobald sich das Gerät im Standby befindet. Dieser Effekt wird als Breathing Effect bezeichnet; Verwendung findet dies – neben vielen weiteren LED-Effekten, wie z.B. dem Fading oder Blinken – in verschiedensten Geräten. Kombiniert mit kapazitiven Touch-Buttons verbessern diese LED Effekte nicht nur die Ästhetik sondern auch die User Experience eines Systems.

Häufig ist es wünschenswert, mehrere Funktionalitäten mit nur einem einzigen Single-on-Chip (SoC) zu implementieren, um so die Anzahl der Baugruppen zu reduzieren. In dieser vierteiligen Serie werden wir verschiedene Aspekte der Implementierung kapazitiver Sensoren und LED Beleuchtungen unter Nutzung eines einzelnen SoC diskutieren; hierunter die folgenden Themen:

Anhand realer Anwendungsfälle werden wir kurz verschiedene Beleuchtungstechniken beschreiben, welche in UI-Anwendungen, die auf kapazitiver Berührungstechnologie basieren, übernommen wurden.

Da die Pulsweitenmodulation (PWM) zu den gebräuchlichsten Techniken der LED Effekt Implementierung zählt, werden wir außerdem erläutern, wie man anhand einer Analyse der verschiedenen Schemen der LED Effekt Implementierung mithilfe von PWM Techniken einen adäquaten SoC auswählt.

Die Realisierung mehrerer kombinierter Funktionen in einem einzigen SoC stellt ausnahmslos eine Herausforderung dar. Für ein robustes Design ist es jedoch unumgänglich, diese Herausforderungen zu bewältigen. Wir werden uns mit einigen der häufigsten Probleme auseinandersetzen, wie beispielsweise der Überlagerung zwischen LEDs und kapazitiven Sensoren, der Treiberstärke oder auch der Lastregelung für LEDs, welche zu Störungen innerhalb des kapazitiven Teilsystems führen kann; ebenso betrachten wir, wie dies alles vermieden werden kann.

Im Rahmen der Leistungsoptimierung, welche für jedes elektronische System von großer Bedeutung ist, werden wir schließlich Designbetrachtungen für einen geringeren Energieverbrauch von LED-Anwendungen anstellen.

LED Effekte

Wirkungsvolle User Interface Designs mit kapazitiven Buttons bieten dem Nutzer ein Feedback. Anders als mechanische Schalter, welche dem Nutzer beim Drücken von Natur aus eine taktile Rückmeldung liefern, ist bei kapazitiven Buttons jedoch kein natürliches Feedback gegeben. Daher finden hier verschiedene Arten von Rückmeldung – darunter visuelle, akustische und haptische (taktile) Feedbacks – Verwendung. Abhängig vom User Interface Design können auch mehrere Arten in Kombination genutzt werden. Inmitten dieser unterschiedlichen Feedback-Typen zählt die Nutzung von LEDs für ein visuelles Feedback als äußerst geläufige Methode. In diesem Teil werden wir diverse LED Effekte und deren Anwendungsfälle betrachten.

Sensorgesteuerte Kontroll-LED

Um visuelles Feedback für den Nutzer zu optimieren oder auch mechanische Schalter zu imitieren, können LEDs auf verschiedene Arten in der Firmware betrieben werden. Einige geläufige Methoden sind:

LED Ein- und Ausschalten

Hierbei handelt es sich um den einfachsten LED Effekt, der häufig zum Anzeigen des Touch-Zustandes genutzt wird. Das LED ist hinter der Kontaktstelle des Sensors positioniert und agiert wie ein Hintergrundlicht: Die LED leuchtet beim Drücken des Buttons auf und geht aus, sobald die Berührung vorüber ist. Ein Beispiel hierfür ist der Menü- oder auch der Zurück-Button eines Android Handys wie beispielsweise beim Samsung Galaxy S4.

Blinken

Häufig stellen TV Hersteller für verschiedene TV-Modelle eine Standardfernbedienung zur Verfügung, wodurch die Tasten für die unterschiedlichen Modelle zum Teil nicht komplett nutzbar sind. In diesem Fall kann das Hintergrundlicht der Taste während des Drückens blinken, um anzuzeigen, dass die Taste nicht verwendet werden kann. Dies wird durch periodisches An- und Ausschalten der LED erreicht.

Toggle

Betrachten Sie hierfür die mechanischen Lichtschalter Ihres Zimmerlichtes, der sich nach dem Drücken wieder in seine Ausgangsposition bewegt: Sobald der Schalter einmal gedrückt wurde, ist das Licht an und bleibt auch solange an, wie der Schalter in dieser Stellung bleibt. Erst durch eine weitere Betätigung des Lichtschalters geht das Licht wieder aus. Die Toggle-Funktion ist vergleichbar zu diesem mechanischen Umschalter: wird ein kapazitiver Button gedrückt, so leuchtet die dazugehörige LED auf, selbst dann noch, wenn der Nutzer den Finger vom Button genommen hat. Erst wenn der Button ein weiteres Mal betätigt wird, geht das Licht aus. Folglich schaltet der Ausgang seinen Zustand bei jeder steigenden Flanke des kapazitiven Sensorzustandes um (OFF zu ON), wie dies auch in Abbildung 1 zu sehen ist. CS0 kennzeichnet hier den Sensorzustand, GPO0 den LED-Zustand.

LED On time

Standardmäßig befinden sich die LEDs direkt neben den kapazitiven Buttons und sie senden das Licht zur Mitte hinaus. Platziert der Nutzer seinen Finger nun auf dem Button, ist das LED folglich verdeckt. LEDs, die bereits unmittelbar nach der Berührung wieder erlöschen, sind in solchen Fällen nur schwer vom Nutzer wahrzunehmen. LEDs, die stattdessen auch für eine kurze Zeit nach der Berührung weiter leuchten, ermöglichen ein besseres visuelles Feedback.  Dieser Effekt wird als „LED On time“ bezeichnet. In Abbildung 2 ist die Funktionsweise zu sehen.

Fortgeschrittene LED Effekte

Durch die Variation der Helligkeit können viele weitere, fortgeschrittene Effekte erzielt werden. Betrachten Sie hierfür ein TV Bedienpanel, wie es in Abbildung 3 zu sehen ist: dies weist mehrere Touch-Buttons zur Steuerung verschiedener Tätigkeiten, wie z.B. der Lautstärkeregulierung, auf.

Das Panel ist vollständig schwarz mit einer glänzenden Oberfläche gestaltet, was der restlichen Blende entspricht und die Ästhetik des Gerätes aufbessert. Damit der Nutzer auch in der Dunkelheit problemlos die Bedienelemente finden und bedienen kann, leuchten die LEDs in den Buttons durchgehend mit einer geringen Helligkeit. Bei Berührung nimmt die Helligkeit des betätigten Buttons stark zu.

Bei der Kontrolle der LED Helligkeit ist PWM eine Schlüsseltechnik. Durch Variation des Tastverhältnisses des PWM Outputs kann die LED Helligkeit angepasst werden (Darstellung siehe Abbildung 4). Dies ermöglicht eine Anpassung der Benutzeroberflächenhelligkeit als Reaktion auf den jeweiligen Button-Status wie auch auf die umgebenden Lichtverhältnisse. Die Variation der Helligkeit dient weiter noch als Basis aller weiteren fortgeschrittenen Effekte, wie beispielsweise dem Breathing, Fading, usw. Die PMW Designparameter wie auch die verschiedenen Schemen der PMW Implementierung werden wir in Teil 2 dieser Reihe besprechen.

LED Fading

Unter Fading versteht man eine Überleitung von einem Helligkeitslevel zu einem anderen. Die Überleitung von einem geringeren zu einem höheren Helligkeitslevel wird hierbei als fade-in, der entgegengesetzte Vorgang fade-out, bezeichnet. Der Effekt des Fadings wird durch eine schrittweise Änderung des Tastverhältnisses erzeugt, die kleinerer Änderungen der LED-Helligkeit nach sich ziehen. (Abbildung 5)

LED Breathing

Zu Beginn dieses Artikels haben wir bereits kurz den Breathing-Effekt am Beispiel eines Laptop Power-Buttons beschrieben. Eine schrittweise Zu- und Abnahme des Tastverhältnisses zwischen zwei festgelegten Werten, wie es in Abbildung 6 zu sehen ist, scheint die LEDs atmen zu lassen. Im Beispiel des Power-Buttons dient der Breathing-Effekt im Standby-Modus dem Nutzer als Indikator, dass der Button aktiv ist und bedient werden kann.

Manche Anbieter bieten bereits konfigurierbare Geräte, welche die fortgeschrittenen LED Effekte zusammen mit dem kapazitiven Touch in nur einem einzigen Chip realisieren. Beispiele hierfür sind CY8CMBR2110 und CapSense MBR3 von Cypress.

In diesem Teil haben wir anhand realer Anwendungsfälle verschiedene LED Beleuchtungstechniken vorgestellt, welche in UI-Anwendungen, die auf kapazitiver Berührungstechnologie basieren, übernommen wurden.

Im zweiten Teil werden wir verschiedene Herangehensweisen für die Realisierung von PWM kennenlernen.

Artikel Quellen: Original-Artikel

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