NucleoF429 基础应用3：GPIO Touch Key（触摸按键）

June 21, 2016

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这里先不说触摸（Touch）按键的优缺点，只从GPIO实现Touch Key的方法上来讲下这个Demo。Touch Key的实现方式有多种，效果和稳定性也相差很大。有些是硬件上专门做了设计，且有不少是有专利的。记得ST有支持Touch Key的型号，也有对应的库，但没用过。进入正题-->

1、Touch Key 硬件原理：

Touch Key检测的原理网络上也有许多，方法各异，此文中的Touch Key 如下图：

实现原理是将Touch Pad 和人体等效为一个电容，Touch Pad的电容固定，和一个电阻并联到GND。IO输出High后，再转为Input，Touch Pad上的电荷通过电阻放电，只要Touch Pad的等效电容和电阻阻值不变，放电时间就是固定的。当有触摸时，人体等效电容相当于并联到了Touch Pad上，总的等效电容增大，放电时间增加，通过判断这个增加的“电容”大小，就能判断是否有触摸。如下图：红色的曲线为无触摸时的放电曲线，放电时间为t0，蓝色曲线为有触摸时的放电曲线，放电时间为t1，两者的差值为Δt。由Δt的大小可判断是否有触摸。VIL是IO读到低电平的阈值

下面是实际测量的电容放电波形：

可以看到，放电时间在10us左右（330K下拉电阻，有触摸时大概增加5us左右），这还是加了示波器探头的放电时间，如果不加探头，时间大概小一半，

下图是一个简易的Touch Pad。铜箔大小越1cm2，覆盖了透明胶带。下拉330K电阻，铜箔等效电容估计个位数pF。

以上是硬件方面和检测的原理。下面来看如何检测这个电容变化量？

2、Touch Key 软件原理：

2.1、电路原理知道了，电容放电的波形也看到了，如何检测变化量呢？用ADC？有无触摸的电压变化量在mV级别，时间为us级别，用多大速度和分辨率的ADC暂且不管，主要是有很多MCU并不具备ADC模块，如果外接满足这个要求的ADC还不如用一颗触摸芯片来的简单。测量电压行不通，那就测量时间吧。（以下的方法可以等效为一个简易的ADC）

上面有提到，有无触摸，放电波形会有5us的变化量。5us对于几十MHz的MCU来说能做太多事了。我这里采用的方法并不是采用中断，因为5us的变化量测量得需要上MHz的中断且获得的数据变化也不明显，所以我采用了do while（Loop）方式，IO输出High充电完成转为Input，通过电阻放电，直到IO读到低电平，在放电期间，放一个计数器，基本是以一条指令的时间来计数的，而且获得的数据变化量够大，便于后期计算，比如10MHz主频执行单周期指令计数，1us计数10次，5us计数50次，还可以连续做多次充放电，将计数累加，有无触摸就会有上百次的计数值变化，完全可以被检测出来。这是我的计数函数，在IO设置为Input后，查询IO是否为低，并且做计数，函数中连续做了16次累加，因为整个while循环中，执行while判断的时间是最长的，所以减少while判断可以计数更多的值，我的TouchKey是在PE0上，如果为High，计数值递增为1，如果换作其他IO时，在读到值之后做相应的移位，使每次递增为1即可，

/*----------------------------------------------------------------------------*/
uint16_t Get_Touch_Value(void)
{
  //HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_10,GPIO_PIN_SET);
  Touch_Count = 0;
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

  HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);

  //while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_0)) //2
  while(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0) //1
  {
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);

  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);

  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);

  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  Touch_Count +=(GPIOE->IDR & GPIO_PIN_0);
  }
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);

  HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_SET);

  //HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_10,GPIO_PIN_RESET);
  return Touch_Count;
}

2.2、因为手指本身有干扰，并且手指与Touch Pad的接触面积也不固定，导致增量时间时刻在变化，必须要经过滤波处理，如下图中的Touch按下部分，波形有杂波，在Touch隔离物较厚时，干扰问题会更严重且数据变化量较小，不经过滤波处理，误触发的几率会很大。

我做了两次滤波：

1、间隔100us进行一次充放电采集，连续采集12个点，将这12个点进行从大到小排序，之后去掉队首最大的4个值和队尾最小的4个值，取中间的4个值做平均，通过这样将一段时间内的数据累加平均为一个点，能有效去掉脉冲干扰。

/*----------------------------------------------------------------------------*/
uint16_t Touch_Heap(void)
{
  uint8_t i,j;
  uint8_t DataTemp;
  uint32_t DataSum = 0;
  for(i=0; i<Heap_Num-1;i++)
  {
  for(j=0;j<Heap_Num-i;j++)
  {
  if(Data_Buffer[j]<Data_Buffer[j+1])
  {
  DataTemp = Data_Buffer[j];
  Data_Buffer[j] = Data_Buffer[j+1];
  Data_Buffer[j+1] = DataTemp;
  }
  }
  }
  for(i=Dis_Num;i<Heap_Num-Dis_Num;i++)
  {
  DataSum += Data_Buffer[i];
  }
  DataSum = DataSum/(Heap_Num-2*Dis_Num);

  return (uint16_t) DataSum;
}

2、间隔10ms进行一次连续的采集，采集后的点再进行平滑滤波，我这里采用了一个一阶低通滤波器，通过调整滤波系数能调节波形的延时和滤波效果。（ST提供了各种滤波器函数，效率高效果好，有兴趣的同学可以深入研究一下）

/*----------------------------------------------------------------------------*/
/* 
 LPF: Y(n) = α*X(n)+(1-α)*Y(n-1) 
 Y[n]:  = Y[n-1] + α * (X[n] - Y[n-1])
 LPF_Yn[0:1] = Yn-1:Yn  
*/ 

uint16_t IIR_LowPass_Filter(uint16_t LPF_Data)
{
  float LPF_Temp;
  LPF_Temp = LPF_Pre_Data+ LPF_Alpha*(LPF_Data - LPF_Pre_Data);
  LPF_Pre_Data = LPF_Temp;
  return (uint16_t)LPF_Temp;
}

经过两次滤波后，充放电数据波形改善很多。

3、Touch Key 状态判断：

这里是指判断按下和释放，通常的做法是设置一个阈值，高于多少或者低于多少就认为是按下或释放，有些程序会做到动态追踪最低点等等，对于元件一致性好的产品，误差都在可控范围内，这样做通常没有太大问题。但对于一些成本敏感，元器件误差较大的产品，问题就会比较明显，因为每一个产品的元件都有误差，这些误差的范围有可能已超过了你的阈值范围，无论你阈值设置过大或过小，总有一部分产品会有问题，即使是同一个产品，不同的环境也会导致阈值超出范围，比如Touch Pad受到灰尘、磨损等改变了自身的等效电容，电阻阻值随温度进行变化等等。

我这里采用数据变化的“趋势”来判断Touch 按下或释放，如图：

把数据点放入队列，依次计算前后两个点的差值，判断数值是增大还是减小，通过计数符合差值的点的次数，判断Touch按下还是释放，这也能有效排除干扰，最重要的是，这种方法受外界因素的影响比较小，元器件之间的差异被排除，因为这里只判断增量而非绝对值。

/*----------------------------------------------------------------------------*/
// 按下时：符合差值的计数增减，释放时，符合差值的计数减小。
void Check_Touch_State(void)
{
  uint8_t i;
  uint8_t Touch_DebCnt = Data_Num; //数据点个数
  int8_t Touch_D_Value = 0;
  for(i=0;i<Data_Num;i++)
  {
  Touch_Data_Buffer[i] = Touch_Data_Buffer[i+1]; //队列左移
  }
  Touch_Data_Buffer[i] = IIR_LowPass_Filter(Touch_Heap()); //最新数据点补在队列尾部
  if(Touch_POR_Deb > 200) //上电先做采集不判断按键状态，防止上电时数据为0，被误判为按下。
  {
  for(i=0;i<Data_Num;i++)
  {
  Touch_D_Value = Touch_Data_Buffer[i] - Touch_Data_Buffer[i+1];
  if(Touch_D_Value > Release_Sen_Value)
  {
  Touch_DebCnt--;
  }
  else if(Touch_D_Value < Press_Sen_Value )
  {
  Touch_DebCnt++;
  }
  }

  if(Touch_DebCnt > (Data_Num+3)) //判断递增次数（Press）
  {
  Press_Flag = 0x01;
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_7,GPIO_PIN_SET);
  }
  else if(Touch_DebCnt < (Data_Num-3)) //判断递减次数（Release）
  {
  Press_Flag = 0xF1;
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_7,GPIO_PIN_RESET);
  }
  }
  else
  {
  Touch_POR_Deb++;

  }
}

以上是Touch Key的实现过程，作为一个原理性的Demo，还有很多细节工作未作，如果采用这种方式到产品中，还需要仔细优化和调试，如防止放电超时，功耗等问题，以上Demo是用NucleoF429上完成的，原理较为简单，可以方便移植到其他MCU上完成，（事实上我先是用NucleoF031K6完成之后再移植到F429上的）。

以上Demo没有写关于CubeMX的部分，因为只需要一个或者两个中断，并不局限于具体的MCU。另外此文中的所有参数都是针对我的电路的，可以按照具体的电路和应用来调整参数。

另外提一点CubeMX的使用技巧，我之前用CubeMX生成Code之后，再用CubeMX修改配置后重新生成Code，就会把我自己写的Code给覆盖掉，经微信群（微信群？中文社区微信交流群）中ecson_2006 和 liposlt 的提醒，CubeMX中用户的Code只需要放在USER CODE BEGIN和USER CODE END 之间，就不会被CubeMX再次覆盖，省了不少事。感谢两位！按照惯例，此文的PDF档和Source Code在附件中，欢迎留言探讨。

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下面是我抽奖送开发板的事，这个帖子发的晚了几天，很抱歉。抽奖的原因是版主songbin 发起2016Computex 酷评集赞有奖竞赛我之后发帖拉票，承诺活动结束后从给我点赞的人中间抽出一人送NucleoL053R8开发板，需要说明的是，这个开发板好久不用，之前也说过会拿出来送给社区的同学，刚好碰到这个活动。二是我并没有限制只能给我点赞。。截至活动结束，我共有37个赞并从先后顺序编序号0~36号。