基于传感器的精确微型操纵杆的设计

便携式设备通常需要使用线性双轴位置传感器或操纵杆，随着便携式设备的激增，对这种传感能力的需求也在增加。设计人员的任务是满足关键性能要求，如灵敏度，准确度，低功耗和更平稳的操作，同时还降低成本，减小尺寸，并添加触觉反馈等功能。

本文将介绍在介绍为移动设备设计低成本，灵敏的操纵杆所需的部件和代码之前，操纵杆的功能如何。

操纵杆的功能

视频游戏中常用的操纵杆由以下部分组成：两个正交电位器，用于通过旋转轴的机构进行X和Y运动（图1）。这些工作良好且价格低廉，但相当大并且在中心位置周围有明显的睫毛。此外，电位器触点易受环境因素的影响，这可能会引入噪声并降低可靠性。

图1：Parallax的27800是一个很好的例子。操纵杆使用两个彼此成直角安装的旋转电位器。 （图像来源：Parallax）

PC笔记本电脑键盘中嵌入的无处不在的“指点杆”使用了力敏感或应变计电阻作为传感元件（图2）。这些电阻器放置在杆的四个侧面上。移动棒压缩一个或多个电阻器改变它们的值。它们非常小，可靠，并提供与位移成比例的触觉力反馈。向下按压杆会改变所有四个电阻器的值，从而可以测量Z轴位移。问题是这些指点杆不再以高容量制造。目前可用的是非常昂贵的，可能花费数十甚至数百美元。

图2：嵌入在PC中的典型“nub”指点杆笔记本键盘。这被发现作为鼠标或触摸板的替代品的普及。 （图片来源：维基百科）

使用磁铁检测运动

另一种操纵杆解决方案是来自ams的AS5013霍尔效应IC，它使用微小的移动磁铁来确定X-Y位置。 AS5013是一个完整的解决方案，包含五个传感器和一个处理引擎，与主机处理器的集成非常容易。它具有体积小（3.7 mm 2 ），精确，低功耗，可靠且易于实施的优点。它需要2.7伏至3.6伏电源，在空闲模式下功耗不到3微安。它将检测磁体在标称±1 mm范围内的运动。

图3：AS5013和轴向磁铁的典型布置（图像来源：ams）

磁铁在磁铁上的移动霍尔元件产生几何分布的响应，如钟形曲线（图4）。最大磁铁行程是围绕AS5013中心的2 mm半径圆。霍尔元件C1至C4放置在以包装中间为中心的圆上。正好位于中间的霍尔元件C5用于更好的线性响应，磁体位移大于±1.0 mm。

图4：霍尔元件的放置和磁场，磁铁位于每个霍尔元件的中心。 （图像来源：ams）

使用单个电源的简单应用只需要四根电线：两个用于电源，两个用于I 2 C通信。另外，可以添加第五个连接以便向主机CPU发送中断，并且可以添加第六个连接作为重置。

图5：AS5013与主机微控制器的框图和电气连接。所有六条线都显示连接，但只需要VDD，GND和两个I 2 C信号（SDA和SCL）。 ADDR引脚选择两个I 2 C地址之一。 （图片来源：ams）

为了简化AS5013的开发，ams提供了AS5013-QF_EK_AB评估套件（图6），可以轻松连接到Arduino或NXP Freedom板。

图6：AS5013-QF_EK_AB评估套件简化了AMS5013的开发，包含两个主要组件：AS5013霍尔传感器电路板和磁体组件（左下）。磁铁组件安装在电路板的背面。 （图像来源：ams）

IC安装在印刷电路板的正面，而磁铁组件安装在AMS5013 IC中心正下方的背面。该套件需要仔细焊接才能完成组装。非常重要的是磁体组件正确定位或读数会有偏移，这将在后面讨论。

套件中使用的安装方法只是一个建议。磁铁组件模块也可以用合适的安装硬件安装在IC的顶部。对于需要仅安装在一侧的组件的电路板，这可能更为可取。

磁性组件模块还有一个内部圆顶开关。按下杆，常开（N.O.）开关被激活，作为按钮点击。开关的焊盘位于背面，需要焊接到印刷电路板上。

在评估套件的原理图中，注意内部圆顶开关的按钮信号（标记为BUTn）（图7） ）。按下操纵杆时，这将短接到地面。

图7：在AS5013评估板原理图上，请注意按钮信号（BUTn）按下操纵杆时，内部圆顶开关会短路接地。 （图像来源：ams）

评估设置

为了评估ams操纵杆，它可以连接到NXP的FRDM-KL05Z板，它使用非常小且成本低32位ARM ® Cortex ® M0 +。只需要4根导线：3.3伏，接地，I 2 C SLK和I 2 C SDA。

图8：FRDM-KL05Z和AS5013评估套件仅使用4根电线进行连接。 （图片来源：Digi-Key）

嵌入式代码是使用mbed开发系统（mbed.org）编写的。它是一个免费的基于Web的集成开发环境（IDE）。编程语言类似于Arduino草图，但实际上是带有库类的C ++。代码是开源的，整个项目可以在这里获得。

嵌入式代码非常简单，充当套件和主机PC之间的桥梁。 FRDM-KL05Z与AS5013之间的通信通过2线I 2 C进行。代码的主要部分在连续的while循环中运行（清单1）。每隔100 ms，读取AS5013的数据，然后通过虚拟USB UART COM设备以115200波特8N1打印。

#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）;//构造I2c对象

const int addr = 0x40 << 1;//AS5013的i2c地址

串行电脑（USBTX，USBRX）;//可选，但需要设置更快的波特

char data [7];

int main（）{

int8_t x，y;//x y要打印到终端的值

uint8_t statusF;//状态标志

pc.baud（115200）;

init_AS5013（）;//重置并初始化AS5013

while（1）{//无限循环

wait（0.1）;//等待100毫秒

statusF = 0;

data [0] = 0x0f;

i2c.write（addr，data，1）;//设置为读取地址0x0f

i2c.read（addr，data，3）;//在寄存器0x0f，0x10,0x11读取数据

statusF = data [0];//获取状态字节

if（statusF＆amp; 0x01）{

x = data [1];//get x

y = data [2];//得到

printf（“％d％d”，x，y）;//输出结果

printf（“ n”）;

}

< p> else {

pc.printf（“error 0x％x n”，statusF）;//不应该到这里

}

}

}//结束

清单1：使用“mbed”IDE的main（）源代码。这是在FRDM-KL05Z板上运行的代码。它由一个无限循环组成，它从I 2 C接口读取X和Y值。 （代码来源：mbed）

在主机PC端，您有许多选择。最简单的方法是使用终端程序，如Tera Term for Windows或MiniCom for Linux。终端输出列出了X和Y的值（图9）。 AS5013为X和Y提供8位有符号值，相对于Y = X = 0（校准后）的中心位置，从+128到-127。

图9：连续显示AS5013 X和Y 8位值的Tera Term输出。 （图像来源：Digi-Key）

PC图形显示

用Python 3.6编写的程序提供了很好的数据可视化。代码可以在GitHub上获得。

这个程序是用Windows 7编写和测试的，但相同的代码将在Linux或Mac上运行。 Python可以从python.org下载。

图10显示了“示波器”显示中X和Y数据的输出。 X显示在蓝色迹线中，Y显示为红色。

图10：显示X（蓝色）和Y（红色）操纵杆移动。操纵杆左右上下移动。 （图像来源：Digi-Key）

第二个选项与棒的移动同步地在屏幕周围移动一个小圆圈（图11）。屏幕中心的红色圆圈对应于默认的杆位置，其中X和Y均为零。未触摸时，操纵杆返回此位置。

图11：红色圆圈（代表操纵杆）在中间位置或中心位置的位置。 （图像来源：Digi-Key）

图12：当棒被推到鞋面时红圈在左上象限中的位置剩下。 （图片来源：Digi-Key）

偏移效应和校准

如前所述，磁性组件模块的正确定位非常重要，因为它直接位于AS5013的上方（或下方）。不这样做会产生偏移。在这种情况下，中心位置X和Y值将不为零。为了克服这个问题，计算每个轴的偏移并将其添加到最终结果中。图13和图14显示了校准前偏移的影响。

图13：带偏移的X-Y值。请注意，零位置低于中心线。 （图像来源：Digi-Key）

图14：由于偏移而偏离中心的操纵杆位置。 （图片来源：Digi-Key）

校准非常简单。当程序首次启动时，取几个读数的X和Y值，并将棒放在中心位置，取平均值并加上或减去一个偏移量，使结果为零。

缩放

磁铁与AS5013之间的距离因设计而异，影响了获得+/- 127满量程读数的能力。例如，电路板厚度会影响灵敏度。幸运的是，这可以通过AS5013的寄存器0x2D中设置的“缩放因子”来控制。如果磁铁距离太近，则应将其从默认值100％降低。相反，如果磁铁太远，应该增加。通过改变比例因子也可以调节运动灵敏度。

低功耗模式

AS5013可以进入超低功耗模式，可以被唤醒通过将杆移动到用户可配置的阈值。唤醒后，它可以向主机MCU产生中断，然后继续正常操作。

高级传感器数据

总共有五个霍尔传感器。可以从每个传感器读取原始数据并将其用于自定义配置。一个有趣的应用是感应磁铁在Z方向上移动，模仿按钮。随着磁铁靠近AS5013，中心霍尔元件值增加。这可以与固定阈值进行比较以确定推动状态。其余四个霍尔传感器也会受到较小的影响。然而，在外部寄生磁场的情况下，这四个传感器可用于改善检测。在ams的应用笔记AN5013-20中有一个很好的例子。

然而，当使用磁性组件模块时，圆顶开关是一种更简单，更强大的按钮按压解决方案。

结论

AS5013和磁性装配模块是小而精确的操纵杆界面的理想选择。它非常敏感，可以对很小的动作做出反应。在许多情况下，它是大型电位计或昂贵的应变计操纵杆的理想替代品。评估套件提供了一个简单的开发平台。