以高整合度混合信號單片機實現兩線式Force Sensor應用設計

　　1. 內容簡介

　　在2015年，蘋果新一代的MacBook和Apple Watch皆搭載壓力觸控感應技術，它被Apple稱為Force Touch，用戶每次按下觸控板之后除了可以在螢幕看見視覺回饋，它同時能夠分辨出用戶點按的力度強弱來做出一系列的相關操控與應用。而本文將介紹以HY16F184內建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC搭配Uneo Force Sensor來實現一個類似Force Touch應用電路。 在本文中的Force Touch應用電路上，主要的元件有：壓力感測器(Force Sensor)、ADC和MCU控制晶片。 紘康HY16F184控制晶片內建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程式放大PGA和多段式穩壓輸出等功能，可以很大幅簡化PCB周邊線路，精準完成由類比到數位的訊號轉換。

　　在一個完整Force Touch實際應用上，除了需要考量到X, Y軸座標與Z軸強度計算，同時也需要考量到電流消耗功率與掃瞄速度和校正的應用設計。而在本文內，只先探討與介紹如何使用HY16F184內建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC來掃描四個Force Sensor并透過I2C通訊來輸出基本的ADC Raw Data。使用I2C轉USB橋接器與電腦連接，由電腦端GUI做即時四個通道的ADC Raw Data資料變化量顯示。

　　2. 原理說明

　　2.1. 量測原理

　　Uneo Force Sensor是以壓阻效應(piezoresistive effects)為基礎的壓力感測器，所謂壓阻效應是指當感測器內部感測元件受到外界壓力作用于其上時，其電阻值會隨之改變的現象。 使用者可以依照電阻值的變化量，使其輸出電壓隨之改變，來推算出壓力大小。在本文中，是使用Uneo Force Sensor來做單端輸入(Single Input)的訊號量測，其量測方法與原理，可以參考下圖1。R1為一個固定的參考電阻，Vr則為固定的參考電壓，Rs即為Uneo Force Sensor電阻值變化量，當外界壓力作用于其上時，Rs電阻值則會產生變化，V2則為Uneo Forec Sensor相對應的電壓變化量。其公式為:V2=+Vr*R1/(Rs+R1)。Uneo Forece Sensor的特性為當元件受到外界壓力越大時，其電導(Conductance)值會越大，換而言之即是電阻(Resistance)值會越小。所以由以上公式配合Uneo Force Sensor特性可以得知，當V2電壓越大時候代表所感受到的Force壓力也越大。

　　圖1 Uneo Force Sensor量測原理

　　本文Force Tocuh的基本架構如下圖2所示，包含四個壓力感測器(Force Sensor)、ADC和MCU單晶片。當有重力施壓在壓力感測器上時, 壓力感測器會將所得到的電壓訊號變化量，透過類比數位轉換(ADC)給單晶片(MCU)做后端的訊號處理計算，最后再透過I2C通訊輸出資料。在本文中，使用到的壓力感測器為Uneo Force Sensor，詳細關于Uneo Force Sensor規格如下圖3，MCU單晶片與ADC規格部份可以章節2.2介紹。

　圖2 HY16F184 Force Touch基本架構應用圖

　　圖3 Uneo Force Sesnor基本規格與特性

　　2.2. 控制晶片

　　單片機簡介：HY16F系列32位元高性能Flash單片機(HY16F184)

　　圖4 紘康HY16F系列32位元高性能Flash單片機(HY16F184)

　　(1)採用最新Andes 32位元CPU核心N801處理器。

　　(2)電壓操作范圍2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作溫度范圍。

　　(3)支援外部16MHz石英震盪器或內部20MHz高精度RC震盪器，

　　擁有多種CPU工作時脈切換選擇，可讓使用者達到最佳省電規劃。

　　(3.1)運行模式 350uA@2MHz/2(3.2)待機模式 10uA@32KHz/2(3.3)休眠模式 2.5uA

　　(4)程式記憶體64KBytes Flash ROM

　　(5)資料記憶體8KBytes SRAM。

　　(6)擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機。

　　(7)24-bit高精準度ΣΔADC類比數位轉換器

　　(7.1)內置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達128倍放大。

　　(7.2)內置溫度感測器TPS。

　　(8)超低輸入雜訊運算放大器OPAMP。

　　(9)16-bit Timer A

　　(10)16-bit Timer B模組具PWM波形產生功能

　　(11)16-bit Timer C 模組具數位Capture/Compare 功能

　　(12)硬體串列通訊SPI模組

　　(13)硬體串列通訊I2C模組

　　(14)硬體串列通訊UART模組

　　(15)硬體RTC時鐘功能模組

　　(16)硬體Touch KEY功能模組