Funpack5-2 - 用PIC32CMLS00开发板实现触摸调光LED

内容介绍

一、项目概述

本项目基于Microchip PIC32CM5164微控制器（搭载于PIC32CMLS00开发板），利用片上集成的触摸传感器外设和PWM（脉冲宽度调制）模块，实现对开发板板载LED亮度的准连续触摸控制。用户通过触摸感应区域即可直观地控制LED的开关及亮度渐变，提供了流畅、可靠的人机交互体验。

项目采用MPLAB X IDE作为开发环境，借助MCC（MPLAB Code Configurator）图形化配置工具快速初始化系统时钟、触摸库、PWM外设及GPIO，极大降低了底层驱动开发复杂度，实现应用程序逻辑的快速原型验证。

二、硬件平台

开发板：Microchip PIC32CMLS00
主控MCU：PIC32CM5164（ARM Cortex-M23内核，支持TrustZone安全扩展）
触摸外设：集成PTC（Peripheral Touch Controller），支持自电容或互电容触摸检测
执行单元：板载LED（通过PWM驱动，最多支持4通道同步控制）
其他资源：TCC（Timer/Counter for Control）定时器，用于生成高精度PWM波形

三、软件工具

IDE：MPLAB X IDE（v6.00及以上），主界面如下图
配置工具：MCC（MPLAB Code Configurator，集成在MPLAB X IDE内）
编译器：XC32（集成在MPLAB X IDE）
触摸库：QTouch Library（提供触摸信号采集、滤波及状态机处理）

四、功能特性

1. 短按开关

在LED熄灭状态下短触摸 → LED以最近一次保存的亮度点亮
在LED点亮状态下短触摸 → LED熄灭并保存当前亮度值

2. 长按调光

触摸并保持超过预设阈值（约800ms）
系统进入呼吸渐变模式：PWM占空比自动从当前值开始递增或递减，触及最大或最小占空比后自动反向
实现平滑、准连续的亮度线性变化

3. 状态记忆

每次关闭LED时，当前占空比被保存至备份变量
下次开启LED时自动恢复至上次调光后的亮度，实现亮度记忆功能

4. 实时响应

触摸检测采用中断+轮询混合机制（由QTouch库管理）
PWM占空比更新实时生效，无触摸到视觉的延迟

附：长/短按下的LED响应如下，

短按：

短按.gif

长按：

长按.gif

五、系统工作原理

系统初始化：
- MCC配置系统时钟（如48MHz）、TCC定时器工作于24位PWM模式，PWM频率固定
- 导入QTouch库并配置单通道触摸按键
主循环处理：
- 周期性调用触摸处理函数，检测触摸状态及持续时长
- 根据触摸状态（按下/释放/长按）及当前LED状态，驱动状态机执行开关或调光动作
PWM控制：
- 占空比通过修改TCC比较寄存器（CC[0]~CC[3]）实现
- 四个通道同步更新，保证多色或单色LED亮度一致（但目前只使用了1个通道的输出，4个用于预留）
防抖动与边界保护：
- 触摸释放时重置状态计数器，避免误触发
- 占空比限制在安全范围内（最小值100，最大值周期数-1），防止PWM异常

要实现的LED的状态机图如下：

六、开发过程

打开MPLAB X IDE，新建一个工程，选择开发板对应的目标MCU（连接开发板后会IDE会直接产品介绍页面，方便下载资料、寻找例程），或直接以Microchip官方提供的pwm例程作为基础，增加触摸检测、控制调光的逻辑即可。
打开MCC配置管理器，如下图，首次使用，需下载所用到的外设的驱动库，此处可以touch为关键字搜索，将与触摸相关的库都安装。安装好后，可使用图形化的方式配置MCU的各个外设，避免了读datasheet、配置寄存器的高门槛

打开MCC配置界面后，在左侧添加所需的外设驱动库，对于本项目，配置完成后如右图所示（核心是将PTC外设和RTC外设启用、并连接到了Touch Library），另外，可以见到几个核心库已经被项目自动添加了（内核、CMSIS部分等）

使用Touch Configuration打开外设配置界面，这里主要是配置PTC外设的各项参数的阈值、检测周期、状态机参数等，具体的配置方式参考PIC32CM51系列的manual的PTC章节即可（其本质是检测电容值的变化来判断触摸，支持多个通道，各通道的管脚也可配置）。

配置完成后点击Generate即可生成外设部分的驱动代码，此后我们只需要实现逻辑部分即可。

初始化各模块和参数，给PWM一个上电初始值，使得触摸开灯后有一个明显的亮度。在主while循环中编写状态机处理代码，实现通过触摸控制PWM占空比的代码。行为逻辑见下表，关键代码片段解析如下（完整工程代码见附件）

LED当前状态	触发动作	预期效果
关	短按	开启LED，亮度为上次关闭时的亮度
关	长按	开启LED，到达“长按”条件后开始调亮度，直到（未松开）最大或最小亮度后停止调亮度
开	短按	关闭LED
开	长按	到达“长按”条件后开始调亮度，直到（未松开）最大或最小亮度后停止调亮度

全局变量与配置

#define LONG_TOUCH_THR          800
static uint32_t period;          // PWM周期
static uint32_t tcc_backup = 600;// LED关闭时备份的占空比
static bool cur_on = false;      // LED当前是否亮着
static bool increasing = true;   // 亮度变化方向（增/减）
static bool block = false;       // 是否阻止亮度调节（翻转瞬间短暂锁定）

- period：PWM周期（最大值）。
- tcc_backup：记录关灯前的占空比，用于恢复。
- cur_on：LED实际是否在发光。
- increasing：控制呼吸灯效果的方向（变亮或变暗）。
- block：用于在占空比到达边界时，暂时阻止额外的占空比变化，防止快速连续翻转。

函数 change_led_duty() —— 呼吸渐变

int cur_tcc = (int)(TCC0_REGS->TCC_CC[0]);
if (increasing) cur_tcc += 1;
else cur_tcc -= 1;

每次调用，占空比 cur_tcc 加1或减1，产生缓慢渐变。

边界处理：

- 若 cur_tcc > period - 1 → 设为最大值，方向取反，block = true（暂时锁定）。
- 若 cur_tcc < 100 → 设为最小值 100，方向取反，block = true。

同时更新四个通道（四路PWM，但只有1路连到了LED）：

TCC0_REGS->TCC_CC[0] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
TCC0_REGS->TCC_CC[1] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
TCC0_REGS->TCC_CC[2] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
TCC0_REGS->TCC_CC[3] = cur_tcc & 0xFFFFFF;

函数 toggle_led() —— 开关LED

if (cur_on) {
    tcc_backup = cur_tcc;  // 关灯前保存当前亮度
    cur_tcc = 0;           // 关灯（占空比0）
} else {
    cur_tcc = tcc_backup;  // 恢复上次亮度
}
cur_on = !cur_on;

注意： 关灯时保存占空比，开灯时恢复的亮度是上次关灯前的值。

完整的main函数和相关代码如下：

#include <stddef.h>                     // Defines NULL
#include <stdbool.h>                    // Defines true
#include <stdlib.h>                     // Defines EXIT_FAILURE
#include "definitions.h"                // SYS function prototypes

#define LONG_TOUCH_THR          800
/* Save PWM period */
static uint32_t period;
static uint32_t tcc_backup = 600;
static bool cur_on = false;
static bool increasing = true;
static bool block = false;

/* typedef for non-secure callback functions */
typedef void (*funcptr_void) (void) __attribute__((cmse_nonsecure_call));

static void change_led_duty(void)
{
    int cur_tcc = (int)(TCC0_REGS->TCC_CC[0]);
    if (increasing) {
        cur_tcc += 1;
    } else {
        cur_tcc -= 1;
    }
    
    if (cur_tcc > period - 1) {
        cur_tcc = period - 1;
        increasing = !increasing;
        block = true;
    } else if (cur_tcc < 100) {
        cur_tcc = 100;
        increasing = !increasing;
        block = true;
    }
    
    TCC0_REGS->TCC_CC[0] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
    TCC0_REGS->TCC_CC[1] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
    TCC0_REGS->TCC_CC[2] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
    TCC0_REGS->TCC_CC[3] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
}

static void toggle_led(void)
{
    uint32_t cur_tcc = (TCC0_REGS->TCC_CC[0]);
    
    if (cur_on) {
        tcc_backup = cur_tcc;
        cur_tcc = 0;
    } else {
        cur_tcc = tcc_backup;
    }
    cur_on = !cur_on;
    
    TCC0_REGS->TCC_CC[0] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
    TCC0_REGS->TCC_CC[1] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
    TCC0_REGS->TCC_CC[2] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
    TCC0_REGS->TCC_CC[3] = cur_tcc & 0xFFFFFF;
}

int main ( void )
{
    bool long_touch = false;
    bool touching = false;
    bool turned_on = false;
    uint32_t touch_count = 0;
    uint32_t msp_ns = *((uint32_t *)(TZ_START_NS));
    volatile funcptr_void NonSecure_ResetHandler;
    uint16_t sensor_state, sensor_state_counter, channel_reference;

    /* Initialize all modules */
    SYS_Initialize ( NULL );

    if (msp_ns != 0xFFFFFFFF)
    {
        /* Set non-secure main stack (MSP_NS) */
        __TZ_set_MSP_NS(msp_ns);

        /* Get non-secure reset handler */
        NonSecure_ResetHandler = (funcptr_void)(*((uint32_t *)((TZ_START_NS) + 4U)));

        /* Start non-secure state software application */
        NonSecure_ResetHandler();
    }
        /* Read the period */
    period = TCC0_PWM24bitPeriodGet();
    
    /* Start PWM*/
    TCC0_PWMStart();

    while ( true )
    {
        touch_timer_handler();
        /* call touch process function */
        touch_process();
        if(measurement_done_touch == 1u)
        {
            measurement_done_touch = 0u;

            sensor_state = qtlib_key_data_set1[0].sensor_state;
            sensor_state_counter = qtlib_key_data_set1[0].sensor_state_counter;
            channel_reference = qtlib_key_data_set1[0].channel_reference;
            
            // process touch data
            if (qtlib_key_data_set1[0].sensor_state == 0x85) {
                if (!touching) {
                    touching = true;
                    if (!cur_on) {
                        toggle_led();
                        turned_on = true;
                    }
                } else {
                    touch_count += 1;
                    long_touch = (touch_count >= LONG_TOUCH_THR) ? true : false;
                }
                if (long_touch && cur_on && !block) {
                    change_led_duty();
                }
            } else {
                if (touching) {
                    touching = false;
                    if (long_touch || turned_on) {
                        turned_on = false;
                        touch_count = 0;
                        long_touch = false;
                        block = false;
                    } else {
                        toggle_led();
                    }
                }
            }
        }
    }

    /* Execution should not come here during normal operation */
    return ( EXIT_FAILURE );
}

七、使用MPLAB X IDE的优势

低开发门槛：MCC图形化配置 + Touch触摸库，无需手动编写触摸底层驱动（类似STM32CubeMX）
例程丰富：可在MPLAB X IDE中直接搜索所用开发板/MCU的例程，方便上手
可扩展性强：支持多通道触摸按键 + 多路PWM输出，可扩展为彩色LED调光或亮度分组控制
安全特性：MCU支持TrustZone，可分割安全与非安全区代码（本项目中未实现）

八、应用场景和后续优化方向

场景

智能家居面板触摸调光灯具
交互式桌面台灯或氛围灯
工业设备触摸式亮度/参数调节器

可优化方向

使用真实的LED和配套的驱动电路，代替板载LED，实现真正可用的照明台灯或吸顶灯等。
标定PTC外设的几个阈值参数，使其对湿手时的触摸也有良好反馈
引入PWM gamma校正，使亮度变化更符合人眼感知
添加非易失存储（EEPROM/Flash），断电记忆最后亮度