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名張市つつじが丘おもちゃ病院

三重県名張市つつじが丘でおもちゃの病院を開院しています。年中無休で修理は無料、部品代のみ実費です。おもちゃの修理依頼は tutuji@cb4.so-net.ne.jp へメールにてご連絡下さい。なお、宅配便での受け付けは行っておりません。このブログにはおもちゃ等の修理事例やツール製作などを載せていきます。故障診断や修理方法の改善等、ご意見をお寄せ下さい。

タッチレジスターの修理(センサーマイコン換装)

本件は、 おもちゃの病院新津(新潟)様の修理事例 であり、つつじが丘おもちゃ病院(当院)はファームウェアの開発を請け負った。
当記事には依頼元のおもちゃの病院新津(新潟)様から提供していただいた情報や資料が含まれている。

1.患者
英語と日本語!なんでもスキャン♪レジスター(タカラトミー)
(画像は依頼元のブログから転載)
タッチレジスターの修理(センサーマイコン換装)外観

2.症状
①レジスターのタッチパネルが効かない。

3.診察(依頼元で実施、詳細は 依頼元のブログ を参照)
①たまたま同じ製品で良品のものがあり、タッチセンサー基板とメイン基板間のインタフェースを比較調査したところ、タッチセンサーから信号が出ていないことが判明した。
(画像は依頼元のブログから転載)
タッチレジスターの修理(センサーマイコン換装)診察1

②タッチセンサー基板には若干のCR類と1個のCOBチップが載っていて、COBチップからタッチパッドにも信号が出ていないため、COBチップの不良と断定した。

③当該COBチップをPICで換装できないか、当院へ検討依頼があった。

4.治療
【ターゲットデバイスの選定】
①タッチSWは15ch分が必要なため、ターゲットはCPSモジュールを搭載し、16chまで実装可能な16F1939(2016年9月秋月@220円)を選定した。タッチSWを構成するだけなので、電源のパスコン以外の外付け部品は一切不要である。

【回路図】
②16F1939のCPSは内蔵のアナログマルチプレクサで16chのタッチSWを接続可能である。一方、当該おもちゃのタッチSWは15個であるので、CPS0は不使用とし、CPS1~CPS15をタッチSWの1番から15番に対応付ける。
タッチレジスター(センサーマイコン換装)回路図
CPS0(RB0)はデジタル出力ポートの設定にして、Lを出力させておく。

③タッチセンスの仕組みそのものはmTouchソリューションを利用するので、特別な設計は不要である。信号タイミングとCPSモジュールの動作を最適化する考慮さえ行えばよい。

【ホストマイコンとのI/F】
④タッチセンスのタイミングはタッチセンサー側に閉じて決めればよいが、ホストマイコンとのインタフェースは既存の設計に合わせる必要があり、 依頼元での波形観測と評価実験の結果 から下記とした。

・ホストマイコンとのインタフェースはデータ信号とクロック信号を用いた2線式同期通信である。それに、通信の開始を意味すると思われる信号(本記事ではOUTEと名付ける)が付加されて全部で3信号線となっている。

 DATAとCLOCKは正論理、OUTEは負論理である。これらの信号はタッチセンサーからホストマイコンへ送られる。ホストマイコンからセンサーへ送られる信号は無い。

・OUTEの立下りで通信が始まる。

・DATAを設定して、CLOCKを立ち上げ、立ち下げする。

・CLOCKは16個あり、1つ目のCLOCKに対するDATAは常に0(LOW)である。

・2つ目から以降の15個のクロックでタッチSW15個の状態をDATAとして送信する。タッチSWの1番(CPS1に対応)から15番(CPS15に対応)の順に送信する。タッチはDATA=1(HIGH)、非タッチはDATA=0(LOW)である。

・16個のCLOCKの後、OUTEが立ち上がる。

・OUTEからDATA出力までは7.5us

・DATA出力からCLOCK立ち上がりまで(データセットアップタイム)は1us

・CLOCKのH期間は2us、L期間は4us

・最後のCLOCK立下りからOUTE立ち上がりまでは速やかに

・フレーム周期は10ms

【CPSモジュール動作の最適化】
⑤CPSカウントの測定時間はフレーム周期の半分の5msとし、フレーム周期8回で16ch分のCPSを評価する。従って、タッチSWのレスポンスタイムは80msになる。

⑥処理ロジックを均一にするため、仮想のタッチSW0番を設けてCPS0に対応させ、CPSカウントの評価を行なわせる。但し、RB0(CPS0)のポートはデジタル出力の設定をしておくのでカウント値は常に0となり、評価結果は非タッチ判定となる。仮想のタッチSW0番の判定結果もホストマイコンに送られるが、常に非タッチ判定なので、1番目のCLOCKに対するDATAは常に0となる。

⑦カウント値は16ビットで管理することとし、16回サンプルの平均値を以って評価の基準値とする。

⑧カウント値が (2^11) 未満で最大となるCPSモジュールの設定条件を実測により割り出したところ、パワーモードは、LOWモード・HIGHレンジが適切で、非タッチ時は0x071?、弱タッチ時は0x06e?、強タッチ時は0x068?になった。Vddが3Vでも5Vでも変動しなかった。

⑨測定時間の5msは、Foscが32MHzで、TMR0のソースを命令サイクル、プリスケを1/256、初期値を99に設定してオーバフローするまでの時間で測る。タッチセンス以外に仕事が無いので割込みは使用せずポーリングで時間待ちする。

【タッチ/非タッチ判定】
⑩ (CPSカウント値<基準値) のときタッチ判定とするのだが、基準値近辺でのバタ付きを回避するため、2種類のヒステリシス特性を持たせる。

・レベル観点でのヒステリシス

非タッチのときは基準値を1/128だけ低く見せかけることで、レベル的なノイズにより不当にタッチ判定しないようにする。非タッチ時と弱タッチ時のCPSカウント値の差は約3%であるため、この半分以下で且つノイズを拾わないことを実機走行で検証して、1/128の値を割り出した。

・時間経過観点でのヒステリシス

非タッチ状態が3サンプル(240msに相当)連続しないと非タッチ判定しないようにする。

今回のおもちゃは、プリント基板のタッチパッドのパターンの裏側からケースを挟んで、更に取り替え可能な絵柄シートを介在してタッチする構造になっていて、タッチパッドと指との間隙が4mmもある。このため、タッチ感度を上げ、且つノイズ耐力が必要であり、上記の仕様とした。結果、依頼元でのフィールドテストでは誤動作は認められなかったとのことである。

【ファームウェア】
⑪開発したファームウェアのプロジェクトと設計資料は ここから ダウンロードできる。

【ホストマイコンI/F】
⑫実測した信号波形を以下に掲げる。

どれもタッチしていないとき
タッチレジスター(センサーマイコン換装)ホストI/F波形1

ch1のみをタッチ
タッチレジスター(センサーマイコン換装)ホストI/F波形2

上図の時間軸を拡大
タッチレジスター(センサーマイコン換装)ホストI/F波形3

ch15のみをタッチ
タッチレジスター(センサーマイコン換装)ホストI/F波形4

上図の時間軸を拡大
タッチレジスター(センサーマイコン換装)ホストI/F波形5

ch1とch15をタッチ
タッチレジスター(センサーマイコン換装)ホストI/F波形6

フレームの繰返し(ch1をタッチ)
タッチレジスター(センサーマイコン換装)ホストI/F波形7

【おもちゃへの実装と動作確認】
依頼元のブログ を参照。

⑭依頼元での評価結果は95/100点で、減点5点は時折チャタリングが発生するからとのこと。ch毎に基板パターンが異なり容量変化が異なるので、個別にパラメータを設定することで改善が期待できると思う。また、現バージョンでは同時に複数キータッチの検出を有効としているが、1キーのみに制限することでより安定すると思われる。その他、キーレスポンスを長くすることで無用の信号バタつきを回避するとか、改善の余地は色々考えられるので、次回の課題としたい。
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  1. 2016/10/05(水) 16:09:02|
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大泉茂幸

Author:大泉茂幸
名張市つつじが丘おもちゃ病院
名張市つつじが丘南3番町129
tutuji@cb4.so-net.ne.jp
090-5534-6494
連絡は上記のメール、またはSMSでお願いします。

子どもの頃から趣味は電子工作一筋でやってきました。理科離れが進む中で科学技術に興味を持つ子どもが少しでも増えて行くことを願って、子ども達に電子工作の活動の場を提供しています。

1981年からおもちゃ病院の活動を始め、2014年に三重県名張市への移住を機に「つつじが丘おもちゃ病院」を開院しました。自分でおもちゃを設計し製作する【おもちゃ工房】と、マイコンを応用した電子工作を楽しむ【マイコンクラブ】も併設しています。新規参加メンバーを募集しています。

本ブログで公開している技術情報や成果物のご利用および再配布はフリーです。読者様の技術活動のお役に立てば幸いです。ご利用いただいた結果や感想等を記事へのコメントやメールでフィードバックしていただけると有難いです。

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