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技术干货 用于移动设备的敏感操纵杆设计

便携式设备通常需要使用一个线性的,两轴位置传感器或操纵杆,以及用于这样的感测能力的需求的便携式设备增殖正在增加。设计者的任务是,以满足关键性能要求,如灵敏度,准确度,低功耗,和更平滑的操作,也降低成本,减小尺寸和增加的功能,如触觉反馈。
本文将介绍的部件和必要的代码设计出低成本,用于移动设备的敏感操纵杆之前描述的操纵杆是如何作用。

如何操纵杆功能

在视频游戏中使用的公共控制杆通过其旋转轴(图1)的机构包括X和Y的运动的两个正交电位器。这些运作良好,价格低廉,但相当大,有围绕中心位置明显的睫毛。另外,电位计的接触很容易受到其可以引入噪声和降低可靠性的环境因素。
的27800从视差图像
图1:27800从视差是使用安装在直角相互两个旋转电位器操纵杆的一个很好的例子。(图像源:视差)
嵌入在PC笔记本电脑的键盘的一次无处不在的“指点杆”使用力敏感或应变仪的电阻器作为感测元件(图2)。这些电阻器被放置在棒的四边。移动棒压缩一个或多个电阻器改变它们的价值。他们是非常小的,可靠的,并提供触觉力反馈成比例的位移。向下按压棒改变所有四个电阻器允许Z轴位移的测量值。问题是,这些指点杆在高容量不再生产。什么是目前市面上非常昂贵,并且可能花费数十甚至数百美元。
典型的“凸起”嵌入到PC笔记本键盘指点杆图片
图2:典型的“方块”指针嵌入到PC笔记本键盘棒。此发现的普及作为一个鼠标或触控板的替代品。(图像来源:Wikipedia)

用磁铁来检测运动

一种替代操纵杆溶液是AS5013从霍尔效应集成电路AMS它使用一个微小移动磁体来确定XY位置。该AS5013是一个包含五个传感器和处理引擎,使得与主机处理器很容易集成的完整解决方案。所以它具有小(3.7毫米优点2),准确,低功耗,可靠,并且易于实现。它需要一个2.7伏到3.6伏的电源,并消耗在空闲模式下小于3微安。将标称±1毫米范围内检测所述磁体的运动。
AMS AS5013和轴向磁体布置的图像
图3:AS5013和轴向磁体的典型的布置(图像源:AMS)
了磁铁与霍尔元件的运动使(图4),其被几何分布如钟形曲线的响应。最大行程磁铁为2mm半径的绕AS5013的中心的圆。霍尔元件C1至C4被放置在中心的封装的中间的圆。霍尔元件C5,在中间恰好放置,用于与磁铁位移超过±1.0毫米的更好的线性响应。
霍尔元件放置和磁场的图像
图4:霍尔元件放置和磁场集中于各霍尔元件的磁体。(图像源:AMS)
仅需要四条导线用于使用单个电源的简单的应用程序:两个用于功率和两个用于I 2 I2C通信。此外,第五连接可以以发送中断到主机CPU加入,并且第六连接可以被添加作为一个复位。
框图和AMS AS5013的电连接
图5:框图和与一个主单片机AS5013的电连接。所有六个线示出为连接,但只有VDD,GND和两个I 2 C信号是必需的(SDA和SCL)。的ADDR引脚选择一个两者之间的我2 C类地址。(图像源:AMS)
为了缓解发展与AS5013,AMS提供AS5013-QF_EK_AB评估板(图6),可以容易地连接到一个Arduino的或NXP 自由板。
AMS AS5013-QF_EK_AB评估板的图像
图6:AS5013-QF_EK_AB评估板简化了开发与AMS5013并含有两个主要组成部分:AS5013霍尔传感器电路板和所述磁体组件(左下)。磁体组件安装在电路板的背面。(图像源:AMS)
该IC被安装在印刷电路板的前侧,而磁铁组件被安装在背面直接AMS5013 IC的中心的下方。该套件需要注意一些焊接完成组装。这是非常重要的是,磁体组件被正确地定位或会有在读数,这将在稍后讨论的偏移量。
在试剂盒中所使用的安装方法是只有一个建议。磁体组件模块也可以被安装在具有合适的安装硬件IC的顶部。这可能是优选的用于与需要被安装在仅一个侧部件的电路板。
磁性组件模块还具有一个内部圆顶开关。在棒按压,常开(NO)开关被激活,作为一个按钮的点击。交换机的垫位于在背侧和确实需要焊接到印刷电路板。
在原理图上的评估板,请注意按钮信号(标记为BUTn)用于内部圆顶开关(图7)。这将接地短路时,棒是郁闷。
AMS AS5013评估板原理的图
图7:在AS5013评估板原理图,请注意,用于内部圆顶开关按钮信号(BUTn)将短到地面时,棒被压下。(图像源:AMS)

评价准备

为了评价所述AMS操纵杆,它可以被连接到来自NXP的FRDM-KL05Z板,它使用一个非常小的,成本低32位的ARM ®皮质® M0 +。只需要4根线:3.3伏,地面,我2 ÇSLK和我2 ÇSDA。
AMS FRDM-KL05Z的和图像AS5013评估板
图8:FRDM-KL05Z并且仅使用4线连接AS5013评估套件。(图像源:与Digi-Key)
嵌入代码使用写mbed开发系统(mbed.org)。这是一个免费的基于Web的集成开发环境(IDE)。编程语言类似于一个Arduino草图,但实际上是C ++与库类。该代码是开源的,可以得到整个项目在这里。
嵌入的代码是相当简单的,作为该试剂盒与主机PC之间的桥梁。所述FRDM-KL05Z和AS5013之间的通信是经由两线我2 C的代码的主要部分以连续的while循环(清单1)运行。每100ms,从AS5013中的数据被读出,然后在115200波特8N1印刷在虚拟USB UART COM设备。
#include "mbed.h"
#if defined (TARGET_KL05Z)
 
#else
#error TARGET NOT DEFINED
#endif
 
PinName const SDA = PTB4;
PinName const SCL = PTB3;
 
I2C i2c(SDA, SCL);  //construct I2c object
 
const int addr = 0x40<<1;  //i2c address of AS5013
Serial pc(USBTX, USBRX); //optional, but needed to set faster baud
char data[7];
 
int main() {
    int8_t x,y;         //x y values to be printed to terminal
    uint8_t statusF;    //status flag
    pc.baud (115200);  
    init_AS5013();      //reset and initialize the AS5013
  
    while (1) {      //endless loop
        wait(0.1);   //wait 100 ms
        statusF =0;
        data[0] = 0x0f;
        i2c.write(addr, data, 1);   //set to read address 0x0f
        i2c.read(addr, data, 3);    //read data at register 0x0f,0x10,0x11
        statusF = data[0];          //get status byte
        if(statusF & 0x01){
            x=data[1];      //get x
            y=data[2];      //get y
            printf(" %d %d", x,y);  //output result 
            printf("\n");
            }
            else{
                pc.printf("error 0x%x\n",statusF);  //should not get here
                }
     }
}  //end of main
清单1:)使用“mbed” IDE的主源代码(。这是对FRDM-KL05Z板运行的代码。它由一个环状的循环从我读取X和Y值的2 C接口。(代码源:mbed)
在主机PC端,你有多种选择。最简单的方法是使用一个终端程序,如Tera for Windows或MINICOM的Linux版本。终端输出列出了X和Y(图9)中的值。的AS5013 X和Y提供8位有符号值从128到-127相对于在Y上的中心位置= X = 0(后校准)。
特拉期限输出的图像
图9:万亿期限输出连续显示AS5013 X和Y的8位值。(图像源:与Digi-Key)

PC图形显示

Python写的3.6的程序提供数据的一个很好的可视化。该代码可以得到这里 GitHub上。
这个项目是与Windows 7的测试,但同样的代码可以在Linux或Mac上运行。Python可以从以下网址下载python.org。
图10示出了X和Y数据的处于“示波器”显示的输出。X显示在蓝色痕迹,Y是红色。
显示的图像以X(蓝色)和Y(红)操纵杆运动
图10:显示为X(蓝色)和Y(红色)操纵杆运动。移动控制杆左右,上下。(图像源:与Digi-Key)
第二个选项移动屏幕周围的小圆圈同步地(图11)的杆的运动。在屏幕中央的红色圆圈对应于默认杆位置,其中X和Y均为零。当不感动,操纵杆返回到这个位置。
的红色圆圈位置处于空档或中心位置的图像(表示操纵杆)
图11:在中性或中心位置红色圆圈(表示操纵杆)位置。(图像源:与Digi-Key)
的红色圆圈的位置在左上象限图像
图12:在当所述棒被推向左上左上象限的红色圆圈的位置。(图像源:与Digi-Key)

胶印效果和校准

如前所述,重要的是磁组件模块被正确地定位,以便它的上方(或下方)的AS5013直接居中。如果不这样做将产生偏移。在这种情况下,中心位置的X和Y值将是非零的。为了克服这个问题,偏移计算每个轴,并加入到最终的结果。图13和14示出的校准前偏移的影响。
XY值的图像的偏移
图13:XY值与偏移量。请注意,零位中心线之下。(图像源:与Digi-Key)
的操纵杆位置图像偏离中心由于偏移
图14:操纵杆位置偏离中心,由于偏移。(图像来源:与Digi-Key)
校准非常简单。当第一次启动该程序,以X和Y值的几个读数与在中心位置,平均棒和添加或减去一个偏移量,因此结果是零。

缩放

磁体和AS5013之间的距离可以变化由于设计,影响得到的+/- 127例如满刻度读数的​​能力,该板厚度将会对灵敏度的效果。幸运的是,这可以通过设置在“缩放因子”注册AS5013的0x2D控制。如果磁铁太靠近接近,但是应当从100%的默认值被降低。相反,如果磁铁过远,它应该增加。移动灵敏度也可以通过改变缩放因子调整。

低功耗模式

的AS5013可置于超低功率模式,并且可以由杆的移动在一个用户可配置的阈值来唤醒。觉醒时,它可以产生一个中断给主MCU,然后用正常操作继续进行。

先进的传感器数据

这里一共有五个霍尔传感器。的原始数据可从各传感器读出,并用于自定义配置。一个有趣的应用是当磁铁在Z方向上移动时,模拟一个按钮来感测。该中心霍尔元件值随着磁铁逐渐接近AS5013。这可与一个固定的阈值,以确定一推的状态。其余四个霍尔传感器也将较小量的影响。然而,在外部寄生磁场的情况下,这四个传感器可被用来改善检测。还有就是这AMS'应用笔记AN5013-20一个很好的例子。
然而,使用磁组件模块时,圆顶开关为按钮按压更简单和更可靠的解决方案。

结论

该AS5013和磁组件模块做出了一个小而精确的遥控接口一个不错的选择。这是非常敏感,非常小的移动做出反应。在许多情况下,它是体积大的电位器或昂贵的应变计操纵杆的理想替代品。该评估套件提供了一个简单的开发平台。

(责任编辑:ioter)

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