触控控件设计
概览
- 您将了解 Altium Designer 支持哪些触摸控制厂商库,以及这些库如何提供可配置的按钮、滑条和滚轮。
- 您将了解基本工作流程,包括在原理图上放置触摸传感器、对其进行配置,以及将生成的传感器图案传输到 PCB。
- 您将详细了解支持的 Atmel、Cypress 和 Microchip 触摸传感器类型,以及决定其最终 PCB 几何形状的关键配置选项。
我们当中有多少人最初投身电子领域,是因为被各种酷炫的开关、旋钮、指示灯,以及其他充满科技感的控件所吸引?多年过去,这种吸引力依然存在,只不过如今吸引我们的是“炫酷 GUI”——电子产品上时尚、精美的界面。触摸控制正是这些不断发展、不断缩小的产品界面的核心。触摸控制看似不起眼,却功能强大,能够提升产品的使用效率,通常还能降低制造成本,并通过替代不可避免会磨损的机械开关和旋钮,延长产品的使用寿命。拿起您最喜爱的智能设备,很快就会发现,如果没有触摸控制,它就不那么智能了,当然也会少了许多吸引力和乐趣。
Altium Designer 支持在 PCB 上创建平面电容式传感器图案。支持以下厂商:
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Atmel 触摸控件 – 提供各种自电容式和互电容式传感器图案(按钮、滚轮、滑条),可与 Atmel® QTouch® 和 QMatrix® 传感器控制器配合使用。
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Cypress 触摸控件 – 提供各种自电容式传感器图案(按钮、滑条),可与 Cypress® CapSense® 控制器配合使用。
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Microchip 触摸控件 – 提供各种自电容式传感器图案(环形、滑条),可与 Microchip® mTouch® 控制器配合使用。
传感器的实现
在设计中实现触摸传感器时,需要从专用集成库中放置所需类型的传感器并进行配置。 右键单击传感器元件,然后从快捷菜单中选择 Configure,即可打开相应的配置对话框(QTouch 元件对话框、CapSense 元件对话框 或 mTouch 元件对话框)。
按要求完成配置后,只需更新目标 PCB 即可。系统会通过 ECO 实施所需更改,生成可放置在 PCB 上的传感器图案。接下来,只需根据产品用户界面的需要,将传感器放置在电路板上的相应位置,再将其连接到适用的触摸传感器控制器。PCB 上的每个传感器元件都不是通常意义上的封装,而是实际的铜电极图案。在电路板组装时,会在传感器上方安装覆盖面板。
实现触摸控制非常简单—— 只需在原理图上放置所需类型的传感器元件,根据设计需要进行配置,再将更改推送到 PCB,即可获得传感器图案。
以下各节将详细介绍可放置到设计中的可配置传感器元件、其配置选项,以及在 PCB 端生成的传感器图案。所有示例均展示默认配置。
Atmel 触摸控件
在 PCB 上创建平面电容式传感器图案时, QTouch Component 对话框提供了用于配置原理图图纸上触摸传感器元件的控件。 这些传感器图案可与 Atmel® QTouch® 和 QMatrix® 系列传感器控制器配合使用,图案中的相应电极连接至这些控制器。
Atmel 触摸控件 – 支持的自电容式传感器
您的 PCB 设计可以使用以下受支持的自电容式传感器。
SmallQTouchSlider – 小型空间插值式滑条传感器(3 通道)
使用 SmallQTouchSlider 元件可实现小尺寸滑条传感器。这是一种自电容式一维空间插值传感器,具有三个通道,可直接连接至 Atmel QTouch 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图案由简单的矩形电极组成。该图案包含通道 1 和通道 2 的两个完整尺寸电极,而通道 3 则分成两个半尺寸电极,分别位于两端。

SmallQTouchSlider 元件的默认配置及生成的传感器图案
提供以下选项:
- height - 传感器图案的高度(5mm 至 15mm)。
- width - 传感器图案的宽度(21mm 至 26mm)。
- gap thickness - 相邻传感器通道之间的间距或间隙(0.1mm 至 0.5mm)。
MediumQTouchSlider – 中型空间插值式滑条传感器(3 通道)
使用 MediumQTouchSlider 元件实现中型滑条传感器。这是一种自电容式一维空间插值传感器,具有三个通道,可直接连接到 Atmel QTouch 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图案由齿形电极组成。该图案包含通道 1 和通道 2 的两个完整尺寸电极,而通道 3 则分为两个半尺寸电极,分别位于两端。

MediumQTouchSlider 元件的默认配置及生成的传感器图案
提供以下选项:
- height - 传感器图案的高度(4mm 至 30mm)。
- width - 传感器图案的宽度(26mm 至 60mm)。
- gap thickness - 相邻传感器通道之间的间隙(0.1mm 至 0.5mm)。
MediumResQTouchWheel – 中型电阻插值式滚轮传感器(12 通道,仅 3 个连接到传感器控制器)
使用 MediumResQTouchWheel 元件实现中型滚轮传感器。这是一种自电容式一维电阻插值传感器,具有三个通道,可直接连接到 Atmel QTouch 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图案由楔形电极组成。

MediumResQTouchWheel 元件的默认配置及生成的传感器图案
提供以下选项:
- number of segments between the channels - 在传感器的三个通道之间添加的电极“间隔”分段数量。
- outer diameter - 传感器图案的外径(20mm 至 60mm)。
- inner diameter - 传感器图案的内径(5mm 至 9mm)。
- gap thickness - 相邻电极分段之间的间隙(0.1mm 至 0.5mm)。
配置传感器时,您可以选择在各通道之间均匀使用多少个电极“间隔分段”。默认配置使用 3 个分段,生成的图案包含 12 个楔形 X 电极。请记住,其中只有 3 个电极连接到传感器控制器。在此默认配置中,连接到传感器控制器的 3 个通道分别对应元件的引脚 1、5 和 9。
为了通过电气方式对传感器的电场进行插值,设计中必须使用额外的电阻,通常在连接到控制器的相邻通道之间接入总计 100kΩ 的电阻(或在电极分段之间接入 25kΩ 的电阻)。下图展示了在默认元件配置下,将电阻连接到传感器元件以提供所需电阻值的示例。
这些传感器的每个通道(电极)都通过单独的直接连接接入传感器控制器。就其发出的电场而言,此类传感器不具有方向性。虽然它们可以在有覆盖面板或无覆盖面板的情况下使用,但静电放电(ESD)对相关控制器件的影响,是决定使用此类面板的主要因素。
所有这些传感器均适用于 Atmel QTouch 传感器控制器。
Atmel 触摸控件 – 支持的互电容式传感器
支持在 PCB 设计中使用以下互电容式传感器。
QMatrixButton – 按钮(或按键)传感器(单通道)
使用 QMatrixButton 元件实现按钮(按键)传感器。这是一种互电容式零维传感器,具有单个通道(一个 X 电极和一个 Y 电极),可直接连接到 Atmel QMatrix 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图案由 X 电极和 Y 电极相互交错的指状结构组成,整体呈矩形。X 电极的图案完全包围 Y 电极的图案。

QMatrixButton 元件的默认配置及生成的传感器图案
提供以下选项:
- height - 传感器图案的高度(最大 1000mm)。
- width - 传感器图案的宽度(最大 1000mm)。
- front panel thickness - 前面板的厚度。该值用于计算包围式 X 电极的主“边框”宽度(通常等于面板厚度),以及 X 电极的“指状结构”宽度和 X、Y 电极之间的间距(通常为面板厚度的一半)。前面板厚度可在 0.1mm 至 10mm 之间。
- width of y side of the sensor - Y 电极的宽度。应尽可能窄,范围为 0.1mm 至 0.5mm。
SmallQMatrixSlider – 单层小型空间插值式滑条传感器(n 通道)
使用 SmallQMatrixSlider 元件可实现小型滑条传感器。这是一种互电容式一维空间插值传感器,具有多个通道,可直接连接到 Atmel QMatrix 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图案类似于一个 1xn 按钮阵列,其中 n 为所定义的通道数。X 和 Y 电极同样采用交错的指状结构。相邻的 X 电极之间留有间隙。Y 电极是连续的(由所有通道共用),并在此间隙中增加一个指状结构。同一 X 电极的各个孤立区域通过过孔和位于电路板另一层的走线连接。

SmallQMatrixSlider 元件的默认配置及生成的传感器图案
提供以下选项:
- number of channels - 构成传感器图案的通道数(3 至 8)。
- number of segments between channels - 在指定通道之间添加的附加分段数,可用于生成更长的滑条(0 至 10)。
- front panel thickness - 前面板的厚度。此值用于计算 X 电极主体“边框”的宽度(通常等于面板厚度)、X 电极“指状结构”的宽度以及 X 和 Y 电极之间的间距(后两者通常为面板厚度的一半)。前面板厚度范围为 0.1mm 至 10mm。
- height - 传感器图案的高度(5mm 至 50mm)。
- width - 传感器图案的宽度(24mm 至 200mm)。
- width of y side of the sensor - Y 电极的宽度。应尽可能窄,范围为 0.1mm 至 0.5mm。
SmallQMatrixWheel – 单层小型空间插值式滚轮传感器(n 通道)
使用 SmallQMatrixWheel 元件可实现小型滚轮传感器。这是一种互电容式一维空间插值传感器,具有多个通道,可直接连接到 Atmel QMatrix 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图案类似于一个 1xn 环形按钮阵列,其中 n 为所定义的通道数。X 和 Y 电极同样采用交错的指状结构,其中 X 电极的指状结构逐渐变窄。相邻的 X 电极之间留有间隙。Y 电极是连续的(由所有通道共用),并在此间隙中增加一个指状结构。同一 X 电极的各个孤立区域通过过孔和位于电路板另一层的走线连接。

SmallQMatrixWheel 元件的默认配置及生成的传感器图案
提供以下选项:
- number of channels connected to the MCU - 构成传感器图案并连接到传感器控制器的通道数(4 至 8)。
- number of segments between the channels - 在传感器的指定通道之间添加的电极“间隔”分段数(0 至 10)。
- panel thickness - 前面板的厚度。此值用于计算 X 电极主体“边框”的宽度(通常等于面板厚度),以及 X 和 Y 电极之间的间距(通常为面板厚度的一半)。前面板厚度范围为 0.1mm 至 10mm。
- outer diameter - 传感器图案的直径(15mm 至 21mm)。
- width of the y side of the sensor - Y 电极的宽度。应尽可能窄,范围为 0.1mm 至 0.5mm。
MediumQMatrixSlider – 双层中型空间插值式滑条传感器(n 通道)
使用 MediumQMatrixSlider 元件可实现双层中型滑条传感器。这是一种互电容式一维空间插值传感器,具有多个通道,可直接连接到 Atmel QMatrix 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图案由 n 个倾斜的 X 电极组成,其中 n 为所定义的通道数。相邻的 X 电极之间留有间隙。Y 电极是连续的(由所有通道共用),由多个水平“指状结构”组成。Y 电极位于顶层,X 电极位于其背面的底层。
每个 X 电极分段的高度为 4mm。对于高度更大的滑条,实际上是以交替的之字形方式堆叠附加分段。在此堆叠结构中,每增加一级分段,就会增加一个 Y 电极指状结构。在默认配置下,滑条高度为 12mm,每个 X 电极的堆叠结构包含三个分段。共用的 Y 电极具有三个指状结构。

MediumQMatrixSlider 元件的默认配置及生成的传感器图案
提供以下选项:
- number of X channels - 构成传感器图案的分段数。
- number of segments between channels - 在指定通道之间添加的附加分段数,可用于生成更长的滑条。
- height - 传感器图案的高度(4mm 至 48mm)。
- width - 传感器图案的宽度(20mm 至 150mm)。
- gap thickness - 相邻传感器通道/分段之间的间距或间隙(0.1mm 至 0.5mm)。
- width of y side of the sensor - Y 电极的宽度。应尽可能窄,范围为 0.1mm 至 0.5mm。
MediumLargeQMatrixWheel – 双层中型/大型空间插值式滚轮传感器(n 通道)
使用 MediumLargeQMatrixWheel 元件可实现双层中型滚轮传感器。这是一种互电容式一维空间插值传感器,具有多个通道,可直接连接到 Atmel QMatrix 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图案由 n 个弧齿状 X 电极组成,其中 n 为所定义的通道数。相邻的 X 电极之间留有间隙。Y 电极是连续的(由所有通道共用),由多个“环”组成。Y 电极位于顶层,X 电极位于其背面的底层。
每个 X 电极分段的径向高度为 4mm。对于直径更大的滚轮,实际上是以交替的弧齿状形式沿径向向外堆叠附加分段。在此堆叠结构中,每增加一级分段,就会增加一个 Y 电极“环”。在默认配置下,内径为 16mm,外径为 40mm,每个 X 电极的堆叠结构包含三个分段。相应地,共用的 Y 电极具有三个环。

MediumLargeQMatrixWheel 元件的默认配置及生成的传感器图案
提供以下选项:
- number of channels connected to the MCU - 构成传感器图案并连接到传感器控制器的通道数(4 至 8)。
- number of segments between the channels - 在传感器的指定通道之间添加的电极“间隔”分段数(0 至 10)。
- outer diameter - 传感器图案的外径(20mm 至 500mm)。
- inner diameter - 传感器图案的内径(不小于 5mm,且比外径小,差值小于 8mm)。
- gap thickness - 相邻电极“齿”之间的间距或间隙(0.1mm 至 0.5mm)。
- width of the y side of the sensor - Y 电极的宽度。应尽可能小,范围为 0.1mm 至 0.5mm。
MediumResQMatrixWheel – 双层中型电阻插值式滚轮传感器(n 通道)
使用 MediumResQMatrixWheel 元件实现双层中型滚轮传感器。这是一种互电容式一维电阻插值传感器,具有多个通道,可直接连接到 Atmel QMatrix 传感器控制器。生成的 PCB 传感器图案由 n 个弯齿状 X 电极组成,其中 n 为定义的通道数。每两个相邻的 X 电极之间均留有间隙。Y 电极是连续的(所有通道共用),由多个“环”组成。Y 电极位于顶层,X 电极则位于其背面的底层。
每个 X 电极分段的径向高度为 4mm。对于直径较大的滚轮,会以交错弯齿的形式沿径向向外逐层叠加分段。每增加一层分段,就会增加一个 Y 电极“环”。在默认配置下,内径为 7.5mm,外径为 30mm,每个 X 电极由三个分段组成。因此,公共 Y 电极也具有三个环。

MediumResQMatrixWheel 元件的默认配置及生成的传感器图案
提供以下选项:
- number of channels connected to the MCU - 构成传感器图案并连接到传感器控制器的通道数(4 至 8)。
- number of segments between the channels - 在传感器指定通道之间添加的电极“间隔”分段数(0 至 10)。
- outer diameter - 传感器图案的外径(10mm 至 100mm)。
- inner diameter - 传感器图案的内径。
- gap thickness - 相邻电极分段之间的间距或间隙。
- width of the y side of the sensor - Y 电极的宽度。应尽可能小,范围为 0.1mm 至 0.5mm。
配置传感器时,可以选择在各通道之间均匀放置的电极“间隔分段”数量。默认配置为 4 个通道,使用 3 个间隔分段,因此图案中共有 16 个弯齿状 X 电极。在此默认配置下,连接到传感器控制器的 4 个通道分别对应元件的引脚 1、5、9 和 13。
为了通过电气方式对传感器电场进行插值,设计中必须使用额外的电阻,通常在连接到控制器的 n 个通道之间接入总阻值为 2kΩ 至 100kΩ 的电阻。下图展示了默认元件配置下,将电阻连接到传感器元件以提供所需阻值的示例。
这些传感器均具有 X(发射)电极和 Y(接收)电极,传感器控制器负责测量 X 与 Y 之间的互电容。对于滑条和滚轮传感器,多个通道各自通过独立的 X 电极连接到传感器控制器,并共用一个 Y 电极连接。此类传感器应配合覆盖面板使用,面板粘接时不得留有空气间隙。该面板为 X 电极和 Y 电极之间的电场提供合适的传导介质。
所有这些传感器均适合与 Atmel QMatrix 传感器控制器配合使用。
Cypress 触摸控件
在 PCB 上创建适用于 Cypress® CapSense® 和 PSoC® 系列控制器的平面电容式传感器图案时,可使用 CapSense Component 对话框中的控件来配置原理图页上的触摸传感器元件。
以下自电容式传感器类型可用于 PCB 设计。
LinearSlider – 线性滑条
使用 LinearSlider 元件可实现 n 段线性滑条传感器。 这是一种自电容式一维传感器,可直接连接到 Cypress PSoC 控制器(图形中的每一段均连接到控制器的独立引脚)。在 PCB 上生成的传感器图形由双人字形电极组成的 1×n 阵列构成,其中 n 为指定的分段数。实质上,您是在指定 n 个彼此相邻放置的独立传感器。您可以统一控制各传感器的高度和宽度,也可以控制相邻传感器之间的间隙。
提供以下选项:
- Number of Segments - 构成传感器图形的分段数(最少为 3)。
- Slider Segment Width - 每个传感器分段的宽度(2mm 至 8mm)。
- Slider Segment Height - 每个传感器分段的高度(7mm 至 15mm)。
- Clearance Between Segments - 相邻传感器分段之间的间距或间隙(0.5mm 至 2mm)。
RadialSlider – 径向滑条
使用 RadialSlider 元件可实现 n 段径向滑条传感器。 这是一种自电容式一维传感器,可直接连接到 Cypress PSoC 控制器(图形中的每一段均连接到控制器的独立引脚)。在 PCB 上生成的传感器图形由 n 个楔形电极组成,其中 n 为指定的分段数。实质上,您是在指定 n 个以径向方式彼此相邻放置的独立传感器。您可以统一控制滑条的内径和外径,以及相邻分段之间的间距。
提供以下选项:
- Number of Segments - 构成传感器图形的分段数(最少为 3)。
- Slider Outer Diameter - 传感器图形的外径。
- Slider Inner Diameter - 传感器图形的内径。
- Clearance Between Segments - 相邻传感器分段之间的间距或间隙(0.5mm 至 2mm)。
这些传感器的每个通道(电极)均通过单独的连接直接接至传感器控制器。就其发出的电场而言,这类传感器不具有方向性。虽然它们既可在覆盖面板的情况下使用,也可在不覆盖面板的情况下使用,但静电放电(ESD)对相关控制器器件的影响,是决定是否使用此类面板的重要考量因素。
所有这些传感器均适用于 Cypress CapSense 和 PSoC 控制器。
Microchip 触摸控件
在 PCB 上创建适用于 Microchip® mTouch® 系列控制器的平面电容式传感器图形时,mTouch Component 对话框提供了用于配置原理图图纸上触摸传感器元件的控件。传感器图形中的相应电极连接到 Microchip mTouch 控制器,这些控制器通常为 PIC 器件。以下自电容式传感器类型可用于您的 PCB 设计。
mTouchChevronSlider – 人字形滑条
使用 mTouchChevronSlider 元件可实现 n 通道人字形滑条,并直接连接到 Microchip mTouch 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图形由人字形电极组成的 1×n 阵列构成,其中 n 为指定的器件数量。实质上,您是在指定 n 个彼此相邻放置的独立传感器。您可以统一控制各传感器的高度和宽度,以及人字形角度,还可以控制相邻传感器之间的间隙。

mTouchChevronSlider 元件的默认配置及生成的传感器图形
提供以下选项:
- Number of Devices - 构成传感器图形的独立传感器数量。
- Slider Width - 每个传感器分段的宽度。
- Height - 每个传感器分段的高度。
- Angle - 人字形角度(0° 至 90°)。
- Gap Width - 相邻传感器分段之间的间距或间隙。
mTouchLinearSlider – 线性滑条
使用 mTouchLinearSlider 元件可实现简单的双通道线性滑条,并直接连接到 Microchip mTouch 传感器控制器。在 PCB 上生成的传感器图形由两个电极组成。实质上,这是两个彼此相邻放置的独立传感器。电极形状由指定的正方形和三角形组合而成。两个电极的三角形部分以近乎交错嵌合的方式排列,中间留有指定的间隙。当用户的手指从一个传感器滑向另一个传感器时,这种滑条设计可提供线性度最佳的输出。

mTouchLinearSlider 元件的默认配置及生成的传感器图形
提供以下选项:
- Square Height/Width - 每个传感器正方形端部的高度和宽度。
- Slider Width - 两个传感器正方形部分之间的距离。
- Gap Width - 两个传感器三角形部分之间的间距或间隙。间隙宽度不得超过中心部分的总宽度。
这些传感器的每个通道(电极)均通过单独的连接直接接至传感器控制器。就其发出的电场而言,这类传感器不具有方向性。虽然它们既可在覆盖面板的情况下使用,也可在不覆盖面板的情况下使用,但静电放电(ESD)对相关控制器器件的影响,是决定是否使用此类面板的重要考量因素。
所有这些传感器均适用于 Microchip mTouch 控制器。
。 启用特定厂商的触摸传感器支持后,将安装相关元件库,其中包含该厂商所支持的不同触摸传感器技术所需的元件,包括触摸滚轮、滑条和按钮。所有元件均可配置,您可以根据设计要求指定触摸传感器几何图形的尺寸和方向。












