1 项目背景与目标

1.1 项目背景

电容式触摸检测技术凭借其无需机械部件、密封性好、外观美观等优势，已广泛应用于各类消费电子和工业控制产品中。Microchip推出的PIC32CM5164LS00048是一款集成PTC外设的32位Cortex-M23微控制器，内置QTouch库支持自电容和互电容两种测量模式，适用于从简单按键到复杂触控界面的多种应用场景。

本项目源自Funpack 5-2任务一，要求使用EV41C56A（即PIC32CM5164LS00048评估板）实现触摸控制LED的功能设计。

1.2 项目目标

本项目需要实现以下具体目标：

1. 配置PTC外设自电容测量模式，实现单键触摸传感器（Touch Key 0）的初始化与数据采集
2. 通过RTC定时器每20ms触发一次触摸测量周期，完成连续触摸状态的实时跟踪
3. 实现上升沿检测算法，在手指触摸瞬间（即从无触摸变为有触摸的瞬间）产生LED反转控制信号
4. LED指示灯采用低电平有效的驱动方式，初始状态为熄灭

2 硬件设计

微控制器介绍

系统核心采用PIC32CM5164LS00048微控制器，其主要参数如下：

• 内核：ARM Cortex-M23（ARMv8-M架构），支持TrustZone安全扩展
• 主频：最高48MHz
• Flash：512KB
• SRAM：64KB
• PTC通道：支持自电容（Self-cap）和互电容（Mutual-cap）两种测量模式
• 定时器：包含RTC、TC、TCC等多个定时器外设
• 工作电压：1.8V~3.6V

触摸传感器配置

触摸传感器采用PTC外设的自电容测量模式，具体硬件配置如下：

自电容测量原理为测量单个感应电极对地的电容变化。当手指接近电极时，人体作为导体并联到地，相当于增加了感应电极对地的有效电容值。PTC通过测量充电时间的变化量来检测这一电容增量——充电时间增加表明电容增大，即发生了触摸事件。

触摸传感器的灵敏度主要由以下几个参数共同决定：

• 节点阈值（Threshold）：设为20，是判断触摸是否成立的核心判定门限
• 迟滞（Hysteresis）：HYST_25，提供25%的迟滞量以防止边界振荡
• 防抖计数器（DET_INT）：4次连续测量确认，用于过滤偶发的电气噪声干扰

LED驱动电路

LED指示灯连接在PA15引脚，配置为通用输出模式（GPIO Mode）。电路采用直接驱动方式：GPIO输出高电平时LED点亮，输出低电平时LED熄灭。

3 软件架构设计

3.1 总体架构

系统软件基于Microchip Harmony 3框架开发，采用TrustZone安全技术将代码部署在两个隔离的运行世界中。安全项目和非安全项目之间的跳转通过ARM Cortex-M23提供的TrustZone接口实现。启动阶段，非安全项目完成系统初始化后，通过TZ_START_NS地址处存储的向量表信息获取安全项目的复位处理函数地址，随后将控制权转移至安全项目。安全项目负责用户交互逻辑（触摸检测与LED控制），负责底层的触摸数据采集与处理。

3.2 触摸处理流程

触摸数据的采集和处理涉及多个软件模块的协作，整个流程如下：

测量触发阶段

RTC定时器以20ms为周期产生中断，在中断处理函数rtc_cb()中调用touch_timer_handler()。后者设置内部标志位time_to_measure_touch_var = 1，通知触摸处理模块可以启动新一轮测量，同时通过qtm_update_qtlib_timer()更新QTouch库的内部时间计数。

数据采集阶段

主循环中每次迭代调用touch_process()函数。该函数首先检查time_to_measure_touch_var标志位，若为1则调用qtm_ptc_start_measurement_seq()启动PTC序列测量。PTC外设完成一次完整的充电-测量周期后，通过回调函数qtm_measure_complete_callback()设置touch_postprocess_request标志。

数据后处理阶段

紧接着在同一次touch_process()调用中，若检测到touch_postprocess_request == 1，则依次执行以下处理步骤：

调用qtm_acquisition_process()进行采集模块级别的后处理

调用qtm_freq_hop_autotune()执行频率跳频自动调谐，以提升抗噪声能力

调用qtm_key_sensors_process()进行按键传感器级别的处理，完成触摸状态判定

若传感器处于持续触发状态（QTM_KEY_REBURST标志置位），则立即设置time_to_measure_touch_var再次启动测量；否则设置measurement_done_touch = 1通知主循环测量已完成

应用层处理

主循环检测到measurement_done_touch == 1后，调用get_sensor_state(TOUCH_SENSOR_KEY_0)读取触摸传感器当前状态，通过KEY_TOUCHED_MASK判断传感器是否处于触摸状态。随后执行上升沿检测：若当前为触摸状态（touch_is_detected == true）且上一轮为非触摸状态（touch_was_detected == false），则说明发生了"手指按下"事件，此时调用LED_Toggle()反转LED状态。

3.3 LED控制模块

LED控制模块完全独立于触摸处理逻辑，采用枚举类型定义LED状态：

typedef enum {
    LED_OFF,
    LED_ON
} LedState;

模块提供两个函数：

• LED_Init()：将PA15配置为输出模式，并设置初始状态为熄灭（低电平）
• LED_Toggle()：将LED状态在ON和OFF之间反转，并同步更新s_ledState变量

这种将LED状态抽象为独立模块的设计有以下优点：LED相关变量（如s_ledState）不会暴露给其他模块，降低了命名冲突和意外修改的风险；驱动电路的物理电平逻辑（低电平点亮）与应用层的逻辑状态（LED_ON）通过模块接口进行了隔离。

4 关键代码实现

4.1 触摸初始化

触摸初始化在touch.c中实现，由安全世界代码调用：

void touch_init(void)
{
    touch_timer_config();
    (void)touch_sensors_config();
}

touch_timer_config()函数完成RTC定时器配置：以DEF_TOUCH_MEASUREMENT_PERIOD_MS（20ms）为周期设置比较匹配值，注册RTC回调函数rtc_cb()，启动32位定时器计数。

sensors_config()函数依次完成以下初始化操作：初始化PTC采集模块，分配原始信号内存，为每个传感器节点使能测量并触发首次校准，最后初始化按键传感器并分配对应的节点。

4.2 触摸处理主循环

while (true) {
    touch_process();

    if (measurement_done_touch == 1u) {
        measurement_done_touch = 0u;

        uint8_t key_status = get_sensor_state(TOUCH_SENSOR_KEY_0);
        bool touch_is_detected = (bool)(key_status & KEY_TOUCHED_MASK);

        if (touch_is_detected && !touch_was_detected) {
            LED_Toggle();
        }

        touch_was_detected = touch_is_detected;
    }
}

上述代码体现了系统设计的核心逻辑：以measurement_done_touch为同步信号，每次触摸测量完成后处理一次LED控制。上升沿检测算法（touch_is_detected && !touch_was_detected）确保LED状态翻转只在手指刚触碰传感器的瞬间发生，而非在手指持续按住期间重复触发。touch_was_detected变量在主循环内部声明为局部变量，避免了多任务环境下的竞争条件。

5 配置参数分析

5.1 时间参数

5.2 触摸检测参数

5.3 频率跳频配置

6 效果展示

触摸按键实现LED的翻转：

7 总结

本项目成功实现了一个基于PIC32CM5164LS00048微控制器的触摸控制LED系统，在TrustZone安全架构下完成了稳定可靠的触摸检测与LED驱动功能。系统以20ms为测量周期，通过上升沿检测算法在手指触摸瞬间精确触发LED状态反转，响应延迟控制在20~40ms范围内，满足人机交互的舒适性要求。