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きよあつちゅうか
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1 ご注意 : この日本語版ドキュメントは参考資料としてご使用の上最新情報につきましては必ず英語版オリジナルをご参照いただきますようお願いします PIC10F を使用したキャパシティブセンサー著者 : はじめに Marcel Flipse Microchip Technology Inc. 本アプリケーションノートでは PIC10F204/6 マイクロコントローラファミリを使用したキャパシティブセンサーの実装方法を説明します本稿ではセンサー処理に関する一般的な知識が前提となりますまたハードウェアの考え方を理解するためにアプリケーションノート AN1101 容量検知ソリューションの紹介を読んでおくことを推奨します PIC10F204 および PIC10F206 マイクロコントローラにはオンボードのコンパレータが内蔵されておりこれを使って 1 キーのキャパシティブセンサーを実装できます実装キャパシティブセンサーを実装するにはコンパレータを弛張オシレータとして使用しますコンパレータの出力を使用してプリント基板上のパッドによって形成されるセンサーコンデンサの充放電を行います充電レートは外付け抵抗器とパッドの容量によって形成される RC 回路の時定数によって決まります人間の指とグランド間に追加の容量が形成されると周波数が変化しますこの変化を PIC MCU で測定し処理を行うことで指が触れたこと ( タッチ ) を検出します基本的なオシレータ回路を図 1 に示します C p は寄生容量です起動時にはこの容量には電荷がなく電圧はゼロですこのためコンパレータの出力は High になりタッチパッドが D1 から急速に充電されて VDD になります図 1: 基本的なオシレータの回路図 Touchpad GP0 Band Gap Buffer 0.6V + - D1 FOSC/4 GP2 1:256 Prescaler Data bus TMR0 8 C p R1 ここでコンパレータの出力が Low に変化しますするとタッチパッドは R1 を経由してゆっくりと放電を始めタッチパッドの電圧がトリップポイント (0.6V の内部バンドギャップリファレンス ) に達しますするとコンパレータの出力が再び High になり同じサイクルを繰り返します 2009 Microchip Technology Inc. DS01202B_JP - ページ 1

2 この充放電サイクルをオシロスコープで観測した結果を図 2 に示しますトレース 1 はコンパレータの出力トレース 2 はパッド (C p ) の電圧を示しています完全な回路図は付録 A に記載していますコンパレータ出力の周波数はパッドの容量に関係しますこの例では 350 khz の基本周波数を使用しています 100 khz ~ 400 khz の範囲の周波数なら実用上問題はありません周波数が高いほど測定サイクルは短くなります図 2: オシレータの出力周波数の測定オシレータが完成したらその周波数を監視してタッチによる周波数の低下を検出できるようにする必要があります周波数を測定するにはオシレータを開始しコンパレータの出力を TMR0 に入力します TMR0 は 8 ビットのタイマ / カウンタでソフトウェアで設定可能な 8 ビットのプリスケーラを備えていますソフトウェアで一定の待ち時間後プリスケーラと TMR0 の値を読み出しますプリスケーラと TMR0 の値を両方読み出すとオシレータの周波数の 16 ビット値が得られます ( 周波数のカウント数 ) PIC10F ではプリスケーラを直接読み出せないのでソフトウェアを工夫してプリスケーラの値を推定する必要があります測定後弛張オシレータを停止し TMR0 のクロックソースを内部オシレータ (FOSC/4) に設定します次に TMR0 の値の増加またはロールオーバーをソフトウェアでポーリングします TMR0 の値が変化するまでの時間からプリスケーラ値を知ることができますつまり周波数を測定するには次のシーケンスが必要となります 1. オシレータを起動する 2. TMR0 とプリスケーラをクリアする 3. 一定時間 ( 例 2 では 100 ms) 待つ 4. オシレータを停止する 5. TMR0 の値を読み出す 6. TMR0 のクロックソースとして FOSC/4 を選択する 7. TMR0 の値が変化するまでのサイクル数をカウントしプリスケーラ値を推定するソフトウェアタッチ判定は指がパッドに触れると周波数カウント数が平均値から急激に低下するという原理に基づいた検出方式で行います指がパッドに触れると容量が増加して周波数が低下しますオシレータを初期化するには次のシーケンスが必要です例 1: MOVLW TRIS MOVLW OPTION 初期化のコード b' ' ;set gp1,gp2 as an output gpio b' ' ; _ ps0 ; ps1 ; ps2set prescaler to 1:256 ; psaprescaler assigned to tmr0 ; t0se increment on high to low ; t0cs transition on t0cki ; #gppu pull-ups disabled ; #gpwu wake-up pin change disabled MOVLW b' ' ; _ #cwu wake-up on comp ch. disabled ; cpref pos ref is cin+ ; cnref neg ref is internal 0.6V ; cmpon comparator on ; cmpt0cs comp. used as tmr0 source ; pol output is inverted ; #couten output is placed on cout ; cmpout -read only bit- MOVWF cmcon0 CLRF tmr0 ; clear tmr0 and the 1:256 prescaler DS01202B_JP - ページ Microchip Technology Inc.

3 このシーケンスの後オシレータをスタートするとプリスケーラと TMR0 がインクリメントします R1 の値を変えると放電時間の長さを調整できます今回の例ではソフトウェアは 100 ms 待ってからオシレータを停止しています 100 ms という待ち時間はプリスケーラと TMR0 が十分に大きな値になるように設定していますオシレータの基本周波数が異なる場合は待ち時間の長さを変える必要がありますカウンタの読み取り分解能を高くするためには待ち時間を長くする必要がありますがあまり長すぎるとTMR0がオーバーフローしてしまうので注意してください例 2: MOVLW gatedtime ; constant equals 100 CALL delay ; wait 100 msec BCF cmcon0,cmpon; turn off oscillator 図 3: 周波数のバースト波形タッチの検出ここまででタッチの検出とシグナリング以外のシステムは完成しました残りの部分はプログラムのメインループで処理します 2 つの変数と 1 つの定数を使用すると周波数の低下を簡単に検出できます以下に例を示します MOVF tmr0,w ; high byte of freq value ; is stored in tmr0 MOVWF freqhi ; low value is still in ; the prescaler 例 4: freqhi:freqlo averagehi:averagelo triphi:triplo ; var Current sensor data ; var Running Average ; const Trip point プリスケーラの値は直接読み出せませんプリスケーラの値を推定するには TMR0 のクロックソースを FOSC/4 に変更し TMR0 がインクリメントまたはロールオーバーするまでの時間をソフトウェアループでカウントします例 3: MOVLW OPTION b' '; change clock ; source to Fosc/4 measureprescaler: INCF freqlo ; was initialised to 255 and ; set to 0 here MOVF tmr0,w ; get the current value of tmr0 XORWF freqhi,w ; compare it with the original ; value of tmr0 BTFSC status,z ; did tmr0 increment? GOTO measureprescaler; no, loop and increment このループの実行には 6 命令サイクルかかるので freqlo の最大値は 43 となりますこの値を 6 倍して 255 を超える場合は値を 255 とします下位 2 ビットは使用されないので結果を 4 で割ります図 3 に自走オシレータのスナップショットを示します上側のトレースは周期的に 100 ms の期間だけオシレータをオンにしたときの波形です下側のトレースは PIC マイクロコントローラが空いたピンを利用してリアルタイムデータをシリアルに送信している様子を示しています freqhi:freqlo には現在のセンサーデータを格納します averagehi:averagelo は過去のサンプルの移動平均で次の式で求めます式 1: 例えば n を 4 とすると現在値に 1/16 の重みをつけ移動平均に 15/16 の重みをつけることになりますこうすると 16 回の平均をとるのに 16 個の変数を保存する必要がなくなります N 回の平均をとるとき N を 2 の階乗とするとソフトウェア除算の代わりに右シフトを使用できるので処理時間を短縮できます最もシンプルなタッチ検出アルゴリズムは現在の値が平均値から一定の値だけ下回った場合にタッチと判定するというものですがその擬似コード例を次に示します例 5: (( 2 n) 1) x averagevalue + currentvalue 2 n If (freq < (average - trip) then ; button is pressed ; user code here Else ; button is not pressed ; user code here EndIf 2009 Microchip Technology Inc. DS01202B_JP - ページ 3

分かりやすい例で説明すると指でボタンを押下していない場合オシレータ周波数のカウント数を 10,000 と仮定しますこのとき平均値と現在値も 10,000 となります設計者がトリップ値に 1,000 を設定したと仮定します指でボタンを押下すると現在値はただちに 8,500 に低下しますが平均値はまだ 10,000 のままです 8,500 は 9,000 より小さいので例 5 の

キャパシティブセンシングにおけるソフトウェア処理で紹介しています連続タッチの実装このソフトウェアは平均処理のメカニズムを採用しているため平均値と現在値が再び同じになった時点でタッチ判定が正しく動作しなくなります図 4 の赤の点線は平均値黒の実線は実測値を示していますこれを見ると平均値が現在値にゆっくりと追従していることが分かります

4 分かりやすい例で説明すると指でボタンを押下していない場合オシレータ周波数のカウント数を 10,000 と仮定しますこのとき平均値と現在値も 10,000 となります設計者がトリップ値に 1,000 を設定したと仮定します指でボタンを押下すると現在値はただちに 8,500 に低下しますが平均値はまだ 10,000 のままです 8,500 は 9,000 より小さいので例 5 の If 文は真になりますこれによってボタンが押下されたと判定されますそして必要に応じてフラグをセットするかまたは何らかの応答処理を実行します注 : 周波数の低下はすべてのタッチ検出方式に共通する基本的な変化であり上記の例はこれを非常に単純化して示したものですボタンが押されたことを検出する別のソフトウェアアルゴリズムをアプリケーションノート AN1103 キャパシティブセンシングにおけるソフトウェア処理で紹介しています連続タッチの実装このソフトウェアは平均処理のメカニズムを採用しているため平均値と現在値が再び同じになった時点でタッチ判定が正しく動作しなくなります図 4 の赤の点線は平均値黒の実線は実測値を示していますこれを見ると平均値が現在値にゆっくりと追従していることが分かります現在値と平均値の差がトリップポイントの値より小さくなるとキーは解放されます図 4: 平均処理のメカニズム A 図 5: 連続タッチ A A 平均値はまだ現在値に追従している B タッチが検出され平均値がロックされる平均値から一定値が引き算される C キーが解放され平均処理のアルゴリズムが再開されるこの機能を有効にする方法の詳細はファームウェアのソースコードを参照してください近接スイッチの実装近接スイッチは非接触型スイッチの 1 種です一般に近接スイッチは手などの物体が存在するかどうかを非接触で検知するために使用します近接スイッチはハンドドライヤーやドアアクセス制御などのアプリケーションで広く使用されていますこれまでに示した回路はわずかな変更を加えるだけで近接スイッチにすることができます具体的にはセンサー要素となるパッドを大きくし放電抵抗器 R1 の値を調整します近接センサーとするためにはトリップポイント (triphi:triplo) も調整する必要がありますタッチセンサーに比べ近接センサーではトリップポイントの値をきわめて小さく設定する必要があります経験則としてセンサーパッドから手までの最大検出距離はセンサーパッドの直径と等しくなりますつまりパッドを大きくするほど検出距離が大きくなります手とセンサーの間に何らかの物質が存在すると最大検出距離が低下することがあります B C A - キーが解放される図 6: 近接スイッチ連続タッチを実装するにはアルゴリズムを変更する必要があります現在値がトリップのしきい値よりも小さくなったら平均処理を中止して平均値が現在値に追従しないようにしますまたキーが戻らなくなるのを防ぐため平均値から一定のヒステリシスを引き算しますこれはドリフトの影響によって現在値がタッチ前と同じ値まで戻らないことがあるためですタッチ検出後に平均値をロックした様子を図 5 に示します緩やかな変動に対してのみ平均値が追従しています DS01202B_JP - ページ Microchip Technology Inc.

5 センサーはプリント基板上に大型の銅箔として作り込む以外にもプラスチックエンクロージャ内に伝導性テープを封止して実装できるため単曲面または複曲面での成形加工も可能です金属製エンクロージャなども物理的に接地されていなければセンサーとして使用できます近接スイッチで大型のパッドを使用する際は標準のタッチボタンより容量が大きくなりますしたがって周波数も低くなります基本周波数が 100 khz ~ 400 khz の間におさまるように R1 の値を調整してください注意事項図 7: VDD の立ち上がり時間 VDD VDD PIC10F20X TMR0 のオーバーフローこの設計では TMR0 の値を読み出すことが測定の基本となっているため TMR0 がオーバーフローしてはなりません測定サイクルを長くするとカウント数を大きくすることができますがあまり長くしすぎると TMR0 がオーバーフローしてしまうので注意してくださいオシレータの周波数を高くすると分解能を損なわずに測定サイクルを短くすることができますボタンの戻り連続タッチアルゴリズムの実装では平均処理メカニズムを停止しますドリフトの影響により現在値がタッチ前と同じ値まで戻らないことがありますヒステリシスを十分に大きくとって現在値のドリフトを補償するようにしてください電源の変動オシレータのトリップポイントは内部リファレンスの 0.6V です容量は VDD から 0.6V に放電されるので VDD が急激に変化するとオシレータの周波数が変化しますこれによりタッチの誤検出が発生することがありますゆっくりとした変動 ( バッテリ電圧の変化など ) は平均処理メカニズムによって補償されますなるべく安定化電源を使用し PIC マイクロコントローラの近くにデカップリングコンデンサを使用してくださいまた VDD の立ち上がり時間も考慮する必要があります最小 VDD 立ち上がり時間を満たせない場合動作パラメータの条件が満たされるまでデバイスをリセット状態に保持する必要がありますまたは図 7 に示した回路を使用することもできますこの方法では MCLR ピンを汎用入力ピンとして使用できます回路基板の説明完全な回路図は付録 A に記載していますこのボードには外付け電源またはシリアルポートから電力が供給されます RTS (Request To Send) および DTR (Data Terminal Ready) ピンを利用してボードに十分な電流を供給できますこれらのピンは D3 を経由して LDO に接続されます PIC MCU には MCP1703 を使用して 5V の安定化電源を供給していますジャンパ K3 を適切な位置に設定すると空いた I/O ピンを LED やブザーに接続するかシリアルポートに接続するかを選択できますトランジスタ Q1 は電圧レベルを RS-232 互換レベルにシフトするために使用しています負レベル (V-) は PC の送信ピン TX から D5 を経由して取り出しています J1 はモード切り替え用のジャンパですジャンパを取り付けると PIC10F は平均値現在値トリップポイント平均処理の深さなどのリアルタイムデータを送信しますジャンパを取り外すとこの回路はボタンとして機能し LED とブザーを作動させますモードに応じてジャンパ K3 を適切な位置に設定してください K7 はプログラミング用コネクタです ICD 2 または PICkit 2 を使用してオンボードプログラミングが行えますプログラミングが完了したらプログラマを取り外してくださいプログラマの PGD ピンはタッチパッドと共用なので取り付けたままだと自走オシレータが正しく動作しません 2009 Microchip Technology Inc. DS01202B_JP - ページ 5

6 結論本アプリケーションノートには設計の詳細を理解して短期間で実装していただけるようソフトウェアが付属していますキャパシティブセンサーのソフトウェアは非常にシンプルなものにすることも複雑なアルゴリズムでボタン検出を実行することもできますその他の参考資料は次のとおりです AN1101 容量検知ソリューションの紹介 AN1102 キャパシティブセンシングにおけるレイアウトおよび物理的設計ガイド AN1103 キャパシティブセンシングにおけるソフトウェア処理 AN1104 容量性マルチボタンの構成 DS01202B_JP - ページ Microchip Technology Inc.

7 PIC10F を使用したキャパシティブセンサー付録 A 完全な回路図 2009 Microchip Technology Inc. DS01202B_JP - ページ 7

8 PIC10F を使用したキャパシティブセンサーノート : DS01202B_JP - ページ Microchip Technology Inc.

マイクロチップ社デバイスのコード保護機能に関する以下の点にご留意くださいマイクロチップ社製品はその該当するマイクロチップ社データシートに記載の仕様を満たしていますマイクロチップ社では通常の条件ならびに仕様どおりの方法で使用した場合マイクロチップ社製品は現在市場に流通している同種製品としては最もセキュリティの高い部類に入る製品であると考えております

9 マイクロチップ社デバイスのコード保護機能に関する以下の点にご留意くださいマイクロチップ社製品はその該当するマイクロチップ社データシートに記載の仕様を満たしていますマイクロチップ社では通常の条件ならびに仕様どおりの方法で使用した場合マイクロチップ社製品は現在市場に流通している同種製品としては最もセキュリティの高い部類に入る製品であると考えておりますコード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在しますマイクロチップ社の確認している範囲ではこのような方法のいずれにおいてもマイクロチップ社製品をマイクロチップ社データシートの動作仕様外の方法で使用する必要がありますこのような行為は知的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えますマイクロチップ社はコードの保全について懸念を抱いているお客様と連携し対応策に取り組んでいきますマイクロチップ社を含むすべての半導体メーカーの中で自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありませんコード保護機能とはマイクロチップ社が製品を解読不能として保証しているものではありませんコード保護機能は常に進歩していますマイクロチップ社では製品のコード保護機能の改善に継続的に取り組んでいますマイクロチップ社のコード保護機能を解除しようとする行為はデジタルミレニアム著作権法に抵触する可能性がありますそのような行為によってソフトウェアまたはその他の著作物に不正なアクセスを受けた場合はデジタルミレニアム著作権法の定めるところにより損害賠償訴訟を起こす権利があります本書に記載されているデバイスアプリケーションなどに関する情報はユーザーの便宜のためにのみ提供されているものであり更新によって無効とされることがありますアプリケーションと仕様の整合性を保証することはお客様の責任において行ってくださいマイクロチップ社は明示的暗黙的書面口頭法定のいずれであるかを問わず本書に記載されている情報に関して状態品質性能商品性特定目的への適合性をはじめとするいかなる類の表明も保証も行いませんマイクロチップ社は本書の情報およびその使用に起因する一切の責任を否認しますマイクロチップ社デバイスを生命維持および / または保安のアプリケーションに使用することはデバイス購入者の全責任において行うものとしデバイス購入者はデバイスの使用に起因するすべての損害請求訴訟および出費に関してマイクロチップ社を弁護免責し同社に不利益が及ばないようにすることに同意するものとします暗黙的あるいは明示的を問わずマイクロチップ社が知的財産権を保有しているライセンスは一切譲渡されません商標 Microchip の社名とロゴ Microchip ロゴ Accuron dspic KEELOQ KEELOQ ロゴ MPLAB PIC PICmicro PICSTART rfpic SmartShunt UNI/O は米国およびその他の国における Microchip Technology Incorporated の登録商標です FilterLab Linear Active Thermistor MXDEV MXLAB SEEVAL SmartSensor The Embedded Control Solutions Company は米国における Microchip Technology Incorporated の登録商標です Analog-for-the-Digital Age Application Maestro CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense In-Circuit Serial Programming ICSP ICEPIC Mindi MiWi MPASM MPLAB Certified ロゴ MPLIB MPLINK mtouch nanowatt XLP PICkit PICDEM PICDEM.net PICtail PIC 32 logo PowerCal PowerInfo PowerMate PowerTool Real ICE rflab Select Mode Total Endurance TSHARC WiperLock ZENA は米国およびその他の国における Microchip Technology Incorporated の商標です SQTP は米国における Microchip Technology Incorporated のサービスマークですその他本書に記載されている商標は各社に帰属します 2009, Microchip Technology Incorporated, Printed in the U.S.A., All Rights Reserved. 再生紙を使用していますマイクロチップ社では Chandler および Tempe ( アリゾナ州 ) Gresham ( オレゴン州 ) の本部設計部およびウエハ製造工場そしてカリフォルニア州とインドのデザインセンターが ISO/TS-16949:2002 認証を取得していますマイクロチップ社の品質システムプロセスおよび手順は PIC MCU および dspic DSC KEELOQ コードホッピングデバイスシリアル EEPROM マイクロペリフェラル不揮発性メモリアナログ製品に採用されていますまたマイクロチップ社の開発システムの設計および製造に関する品質システムは ISO 9001:2000 の認証を受けています 2009 Microchip Technology Inc. DS01202B_JP - ページ 9

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PIC10(L)F320/322 Product Brief

PIC10(L)F320/322 Product Brief 注意 : この日本語版文書は参考資料としてご利用ください最新情報は必ずオリジナルの英語版をご参照願います PIC10(L)F320/322 PIC10(L)F320/322 製品概要高性能 RISC CPU: 命令は 35 しかなく習得が容易 : - 分岐命令を除き全てシングルサイクル命令動作速度 : - DC 16 MHz クロック入力 - DC 250 ns 命令サイクル最大 1 K