Arduino Lab 10 Interface com um touch capacitivo, controlador GT801 Goodix

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1 Arduino Lab 10 Interface com um touch capacitivo, controlador GT801 Goodix Neste Lab trabalharemos com um touch capacitivo de 8, retirado de um tablete antigo e sem uso, afim de estabelecer uma engenharia reversa sobre o funcionamento, comunicação e design deste tipo de tela. Imagem tela touch Telas sensíveis ao toque As telas sensíveis ao toque se tornaram parte importante dos equipamentos que permitem interação com o usuário incorporando características atrativas, sejam elas funcional ou comercialmente. Talvez não notamos o quanto esta tecnologia está presente em nosso dia a dia. Praticamente 99,99% dos celulares atuais utilizam tecnologia touch e nós, usuários, interagimos a todo momento com estes dispositivos. Outros aparelhos como caixas

2 de autoatendimento bancário e de estacionamento, telas de centrais multimídia automotivas, refrigeradores domésticos mais modernos, impressoras de papel, telas de computador entre outros apresentam esta tecnologia em sua construção. Enquanto um painel sensível ao toque deve incorporar uma grande variedade de características, incluindo visibilidade sobre a tela de fundo, precisão na posição de toque, resposta rápida, durabilidade, custos de instalação, suas características se diferem dependendo do método utilizado para detectar os toques. Citaremos os displays resistivos e capacitivos. Telas resistivas Painéis touch baseados neste método também são chamados de sensores de pressão ou painéis de filme resistivos. Esta tecnologia dominou o mercado de telas sensíveis ao toque por muitos anos incorporando celulares, automotivos e o famoso Nintendo DS. monitores LCD, GPS Neste método, a posição do toque é detectada quando há uma mudança no valor da tensão aplicada no display devido ao contato dos dois eletrodos da tela alterar a resistência do ponto tocado. Uma pressão deve ser feita no momento do toque para que possa ser detectada. A figura abaixo, retirada do site ilustra estre princípio.

3 Resistive Touch Uma vantagem deste sistema está no baixo custo de produção grassas a sua simples estrutura construtiva. Este sistema também apresenta um consumo menor comparado ao capacitivo e uma ótima resistência a poeira e água já que sua superfície é feita com um filme de contato. Já que a detecção do ponto de toque demanda uma pressão para o contato dos eletrodos, este sistema funciona não só com o acionamento dos dedos como com canetas e até mesmo quando o usuário utiliza luvas protetoras. Um exemplo são os terminais de dados aplicados nas viaturas policiais fornecidos pela empresa Maxtrak. Telas capacitivas Um capacitor é um componente elétrico que, de uma forma bem simples, é composto por duas placas condutivas chamadas de eletrodos separadas por um dielétrico. Uma tela capacitiva do tipo Projected Capacitive é construída de forma parecida a um capacitor. A estrutura interna destes tipos de painéis consiste de uma camada de proteção, uma malha de eletrodos que determinam a posição do toque em X e Y e um substrato de vidro. A figura

4 abaixo, também retirada do site ilustra esta estrutura. Capacitive touch O campo elétrico gerado por um dos eletrodos é recebido no eletrodo vizinho. Quando um dedo ou uma caneta especial condutora toca o painel, o circuito é interrompido e o acoplamento do campo passa a ser através do corpo humano. Esta alteração de campo produz uma alteração de corrente que é percebida pelo controlador do touch. A posição então é determinada em coordenadas cartesianas referente a X e Y. A figura abaixo, retirada de um White Paper da empresa 3M ilustra o que foi citado acima.

5 Toque no painel Na imagem acima observamos os eletrodos e o campo formado por eles. Na imagem abaixo, já no touch que vamos trabalhar neste Lab, notamos que os eletrodos possuem o mesmo formato identificado na imagem anterior. Imagem dos Eletrodos no touch

6 Controlador GT801 Goodix O controlador do touch que vamos trabalhar neste Lab foi produzido pela empresa Goodix. Seu modelo é o GT801 e apresenta como principal característica a comunicação de dados no protocolo I2C e uma detecção de até 5 pontos de toque na tela. Uma imagem da montagem do controlador no Flat Cable do touch está indicada abaixo. Imagem do CI controlador GT801 Como observado na descrição do flat cable, temos 6 pontos a serem conectados no circuito do lado do host, porém, não era possível trabalhar com os terminais de um flat sem um circuito intermediário que fosse possível a conexão de cabos. Logo, como o conector no antigo tablet permitia a solda dos cabos, o mesmo foi cortado da placa principal e disponível para a montagem. A imagem abaixo ilustra este circuito.

7 Imagem montagem conector Os pinos INT e SHUTDOWN são responsáveis pelo controle e indicação do CI, sendo que o INT apresenta um pulso de aproximadamente 100us que pode ser um pulso de 0 para 1 ou de 1 para zero de acordo com a configuração. Comportamento Pino INT Já o pino shutdown é responsável por colocar o controlador no modo de economia de energia. Este pino de controle é muito útil nas aplicações que envolvam o uso de baterias. Todas as informações necessárias para trabalhar com este controlador foram obtidas no datasheet do fabricante, que diga-se de passagem não foi muito fácil de encontrar, e a princípio estava em Chinês, sendo necessária sua tradução página a página para o Inglês. As duas versões podem ser encontradas nos links acima. A comunicação entre o Arduino e o controlador segue o padrão I2C normal. A biblioteca padrão I2C disponível na IDE do Arduino não funcionou corretamente devido ao tempo entre enviar um dado e a resposta do sinal de ACK. Optamos então por utilizar a biblioteca SoftI2CMaster, modificando apenas o

8 tamanho do buffer de dados para 53 bytes. Algoritmo e testes Não há nenhuma complicação na ligação dos componentes para este teste. Basta ligar os pinos SDA e SCL aos pinos A4 e A5 do Arduino passando por um shift level que reduz a tensão de 5V do Arduino para 3V3 do touch e os 6 LED s conectados aos pinos D2 a D7 com um resistor de 470 Ohms em série. O pino D8 está conectado ao terminal shutdown do touch. No algoritmo, inicialmente é necessário enviar 53 bytes de configuração para o controlador GT801. Uma tabela que indica a descrição de cada byte é mostrada abaixo.

9 Tabela registradores de configuração do GT801 O vetor de dados GT801_RegData[53]{} e a função init_touchgt801() utilizados para a configuração do controlador estão indicados abaixo.

10 Vetor de dados de configuração Função init_touch() Parte de um diagrama gerado pelo analisador lógico, onde é mostrada a linha de clock SCL, a linha de dados SDA e a decodificação dos bytes está indicado na imagem abaixo. Imagem dados no analisador lógico Observamos que o primeiro byte de dados é o comando de escrita 0xAA, logo após temos o endereço do primeiro registrador de configuração a ser escrito 0x30 e então é iniciada a escrita dos dados iniciando pelo 0x19 correspondendo ao registrador 0x30. O ponteiro de incremento dos registradores e dos dados no vetor de configuração é incrementado automaticamente pelo algoritmo. O próximo passo foi ler o registrador que guarda as

11 informações sobre a versão do touch localizado no endereço inicial 0x69. A função read_version_touchgt801() que apanha estes dados está indicada abaixo. Função read_version_touch() O retorno desta função é a cadeia de dados indicada abaixo: 0x47 0x54 0x38 0x30 0x31 0x5F 0x31 0x52 0x30 0x38 0x5F 0x32 0x30 0x31 0x31 0x31 0x32 0x31 0x35 0x30 0x31 0x5F 0x47 0x6F 0x6F 0x64 0x69 0x78 0x5F 0x54 0x65 0x63 0x68 Quando convertida em ASCII, a sequencia acima gera a seguinte string correspondente a versão do touch: GT801_1R08_ _Goodix_Tech A partir deste ponto a comunicação com o touch já está estabelecida e as coordenadas em X e Y podem ser obtidas pelos registradores de leitura. O endereço e a descrição destes registradores estão indicados abaixo.

12 Tabela dos registradores de leitura Neste Lab trabalhamos apenas com somente um ponto de toque dos cinco que são suportados pelo controlador, logo somente os registradores 0x02 a 0x05 foram lidos pelo algoritmo. Para o teste ser efetivamente finalizado, uma folha com números foi elaborada e colada no lado oposto ao touch apenas como referência do posicionamento das coordenadas X e Y coletadas dos registradores descritos acima. Estas posições, após o mapeamento de cada número, entra em um laco if() que compara as coordenadas lidas com as do local de cada posição na folha. A imagem da folha elaborada e do touch estão indicados abaixo.

13 Folha de teste e touch Os botões de 1 a 9 comutam os LED s conectados aos pinos D2 a D7 do Arduino. O acionamento dos destes pode ser observado vídeo no final deste Lab. Todo o código está indicado abaixo. [crayon-5af332db7dfbc /] Conclusão Neste Lab trabalhamos com uma tela sensível ao toque do tipo capacitiva que foi retirada de um antigo tablet já em desuso. Um grande conhecimento com relação a este tipo de dispositivo, no âmbito do protocolo de comunicação I2C e funcionamento, foi adquirido visto que não é comum encontrarmos touch s capacitivos para protótipos em lojas de componentes eletrônicos. Uma atenção especial deve ser tomada ao manusear o flat cable desta tela pois o mesmo é colado sobre as pads do display e pode soltar-se facilmente inutilizando toda a tela.

14 DSP Lab 02 Implementação de uma biblioteca e teste do display OLED Neste Lab iremos descrever o processo de implementação de uma biblioteca de caracteres para comunicação com o display OLED de pixels, que utiliza o controlador SSD1306, montado na placa de desenvolvimento ezdsp C5515. Plataforma ezdsp C5515 Display OLED Displays OLED (Organic Led Emitter Diode) são feitos de um tipo de material orgânico (contêm carbono) que emite luz quando excitado por uma corrente elétrica. A imagem abaixo, retirada do site allaboutcircuits.com, ilustra as camadas de construção de um display OLED.

15 Camadas de um display OLED Estes displays não necessitam de uma retro iluminação e filtros para luz assim como é necessário nos displays de LCD comuns, o que os torna mais eficientes, simples de produzir e mais leves, além da possibilidade de serem construídos de forma flexível ou dobrável. A figura abaixo ilustra este modelo de display na forma flexível. Display OLED flexível Os displays de OLED apresentam as seguintes vantagens em relação aos de LCD: Maior qualidade de imagem Melhor contraste, alto brilho, ótimo ângulo de visão, grande variedade de cores e uma maior taxa de atualização. Baixo consumo de energia. Fácil construção que permite telas mais finas, flexíveis

16 e transparentes. Melhor durabilidade São mais duráveis e podem opera em uma maior faixa de temperatura por não apresentar o cristal líquido em sua construção. O Display montado na ezdsp A ferramenta para desenvolvimento com DSP s ezdsp C5515 da Spectrum Digital possui um display OLED de pixels, comunicação via protocolo I2C, montado na placa principal para testes de comunicação serial e como uma forma de visualização de variáveis e interface com o usuário. Nos códigos originais disponibilizados pela Spectrum Digital para manipulação do display, não era possível escrever uma cadeia de strings e envia-los para o controlador SSD1306 de uma forma intuitiva. Ao invés disso, uma combinação de 4 bytes deveria ser escrita e enviada ao display para a montagem dos caracteres, bit a bit, individualmente na tela. A imagem abaixo ilustra uma parte do algoritmo original para a combinação dos bytes na escrita de um caractere. Snap Shot Combinação bytes Outro fator que dificultou a interação com o display foi que a sequência de bytes, como na imagem acima, originalmente era

17 escrita na ordem invertida da montagem do caractere. Enviando um caractere para o Display OLED O display apresenta uma configuração de pixels (96 colunas x 16 linhas) onde podemos indicar 2 linhas de textos de 96 8 pixels cada uma que são chamados de PAGE 0 e PAGE 1 pelo datasheet do controlador SSD1306. A imagem abaixo ilustra o tipo de endereçamento do ponteiro de memória do display no modo horizontal para uma tela de pixels. Imagem Page display Para mostrar um caractere por inteiro e com boa nitidez, o display necessita de 5 bytes de dados dispostos em 8 linhas que formam uma PAGE na memória do display. A imagem abaixo ilustra a formatação básica de uma PAGE de memória do controlador SSD1306. Construção display do Page no

18 Na elaboração desta biblioteca foi necessária uma ferramenta que gerasse a combinação padrão dos caracteres no mesmo momento em que eles eram montados. Para isso, algumas formulas e arranjos de formatação condicional de células foram elaborados no Excel como forma de facilitar a construção da biblioteca. O Gif abaixo ilustra o funcionamento desta planilha que pode ser baixada neste link. GIF do codificador de 5 bytes Diante da imagem acima, observamos então que para o caractere 2 ser mostrado no display nós precisamos enviar a sequência {0x42, 0x61, 0x51, 0x49, 0x46} ao controlador. Assim, os pixels de cada banco serão ligados individualmente como na imagem. Utilizando o mesmo método e considerando os outros caracteres mais utilizados, um vetor com a sequência de cada caractere foi elaborado com a ajuda da planilha descrita acima. Na imagem abaixo podemos observar uma parte deste vetor.

19 Vetor de caracteres Para imprimir um caractere no display, apenas chamamos a função text() e passamos como parâmetro o que queremos visualizar na tela, assim como é visualizado na imagem abaixo. Função text() No corpo da função text(), os caracteres que são passados como parâmetro tem o seu tamanho dimensionado. Dentro do laço for() cada caractere é passado como parâmetro para a função display_char() na ordem invertida (do último para o primeiro caractere). Esta função pode ser observada na imagem abaixo. Corpo da função text() Na função display_char() cada caractere recebido é convertido

20 para inteiro, subtraído em 32 unidades que é o número decimal de começo dos caracteres na tabela ASCII e o resultado é multiplicado por 5 devido a cada caractere em nossa tabela ser composto por 5 bytes de dados, como já descrito acima. A composição desta função pode ser verificada na imagem abaixo. Função display_char() A operação descrita acima gera um número que é o index de busca no vetor de caracteres. Por exemplo. Número decimal para a letra A na tabela ASCII -> 65 Valor da variável index -> index = (65 32) *5 = 165 Se contarmos 165 bytes de dados no vetor font[] estaremos apontando para o primeiro byte que formará a letra A. Estes 5 bytes são passados dentro do laço for() para a função OSD9616_send() que envia os dados no barramento I2C do DSP. Algoritmo e testes O algoritmo base para este teste foi retirado do arquivo original de testes da plataforma de desenvolvimento ezdsp da Spectrum Digital. As funções inseridas e o vetor de caracteres construído já foram descritos acima. O algoritmo se encontra descrito abaixo. Créditos e comentários traduzidos foram inseridos para melhor compreensão. [crayon-5af332db7f1f /]

21 Conclusão Neste Lab implementamos uma biblioteca básica para fácil interação com o display OLED de pixels utilizando o Code Composer Studio. Além disso, entendemos melhor como é o procedimento de inicialização e os principais comandos a serem enviados para este controlador para que o sistema funcione adequadamente. No futuro, outros protótipos mais avançados serão feitos utilizando este DSP, o display e a biblioteca aqui descrita.