便攜式設(shè)備通常需要使用線性雙軸位置傳感器或操縱桿，隨著便攜式設(shè)備的激增，對(duì)這種傳感能力的需求也在增加。設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是滿足關(guān)鍵性能要求，如靈敏度，準(zhǔn)確度，低功耗和更平穩(wěn)的操作，同時(shí)還降低成本，減小尺寸，并添加觸覺(jué)反饋等功能。

本文將介紹在介紹為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)低成本，靈敏的操縱桿所需的部件和代碼之前，操縱桿的功能如何。

操縱桿的功能

視頻游戲中常用的操縱桿由以下部分組成：兩個(gè)正交電位器，用于通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)構(gòu)進(jìn)行X和Y運(yùn)動(dòng)（圖1）。這些工作良好且價(jià)格低廉，但相當(dāng)大并且在中心位置周圍有明顯的睫毛。此外，電位器觸點(diǎn)易受環(huán)境因素的影響，這可能會(huì)引入噪聲并降低可靠性。

圖1：Parallax的27800是一個(gè)很好的例子。操縱桿使用兩個(gè)彼此成直角安裝的旋轉(zhuǎn)電位器。 （圖像來(lái)源：Parallax）

PC筆記本電腦鍵盤中嵌入的無(wú)處不在的“指點(diǎn)桿”使用了力敏感或應(yīng)變計(jì)電阻作為傳感元件（圖2）。這些電阻器放置在桿的四個(gè)側(cè)面上。移動(dòng)棒壓縮一個(gè)或多個(gè)電阻器改變它們的值。它們非常小，可靠，并提供與位移成比例的觸覺(jué)力反饋。向下按壓桿會(huì)改變所有四個(gè)電阻器的值，從而可以測(cè)量Z軸位移。問(wèn)題是這些指點(diǎn)桿不再以高容量制造。目前可用的是非常昂貴的，可能花費(fèi)數(shù)十甚至數(shù)百美元。

圖2：嵌入在PC中的典型“nub”指點(diǎn)桿筆記本鍵盤。這被發(fā)現(xiàn)作為鼠標(biāo)或觸摸板的替代品的普及。 （圖片來(lái)源：維基百科）

使用磁鐵檢測(cè)運(yùn)動(dòng)

另一種操縱桿解決方案是來(lái)自ams的AS5013霍爾效應(yīng)IC，它使用微小的移動(dòng)磁鐵來(lái)確定X-Y位置。 AS5013是一個(gè)完整的解決方案，包含五個(gè)傳感器和一個(gè)處理引擎，與主機(jī)處理器的集成非常容易。它具有體積小（3.7 mm 2 ），精確，低功耗，可靠且易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。它需要2.7伏至3.6伏電源，在空閑模式下功耗不到3微安。它將檢測(cè)磁體在標(biāo)稱±1 mm范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

圖3：AS5013和軸向磁鐵的典型布置（圖像來(lái)源：ams）

磁鐵在磁鐵上的移動(dòng)霍爾元件產(chǎn)生幾何分布的響應(yīng)，如鐘形曲線（圖4）。最大磁鐵行程是圍繞AS5013中心的2 mm半徑圓?；魻栐﨏1至C4放置在以包裝中間為中心的圓上。正好位于中間的霍爾元件C5用于更好的線性響應(yīng)，磁體位移大于±1.0 mm。

圖4：霍爾元件的放置和磁場(chǎng)，磁鐵位于每個(gè)霍爾元件的中心。 （圖像來(lái)源：ams）

使用單個(gè)電源的簡(jiǎn)單應(yīng)用只需要四根電線：兩個(gè)用于電源，兩個(gè)用于I 2 C通信。另外，可以添加第五個(gè)連接以便向主機(jī)CPU發(fā)送中斷，并且可以添加第六個(gè)連接作為重置。

圖5：AS5013與主機(jī)微控制器的框圖和電氣連接。所有六條線都顯示連接，但只需要VDD，GND和兩個(gè)I 2 C信號(hào)（SDA和SCL）。 ADDR引腳選擇兩個(gè)I 2 C地址之一。 （圖片來(lái)源：ams）

為了簡(jiǎn)化AS5013的開(kāi)發(fā)，ams提供了AS5013-QF_EK_AB評(píng)估套件（圖6），可以輕松連接到Arduino或NXP Freedom板。

圖6：AS5013-QF_EK_AB評(píng)估套件簡(jiǎn)化了AMS5013的開(kāi)發(fā)，包含兩個(gè)主要組件：AS5013霍爾傳感器電路板和磁體組件（左下）。磁鐵組件安裝在電路板的背面。 （圖像來(lái)源：ams）

IC安裝在印刷電路板的正面，而磁鐵組件安裝在AMS5013 IC中心正下方的背面。該套件需要仔細(xì)焊接才能完成組裝。非常重要的是磁體組件正確定位或讀數(shù)會(huì)有偏移，這將在后面討論。

套件中使用的安裝方法只是一個(gè)建議。磁鐵組件模塊也可以用合適的安裝硬件安裝在IC的頂部。對(duì)于需要僅安裝在一側(cè)的組件的電路板，這可能更為可取。

磁性組件模塊還有一個(gè)內(nèi)部圓頂開(kāi)關(guān)。按下桿，常開(kāi)（N.O.）開(kāi)關(guān)被激活，作為按鈕點(diǎn)擊。開(kāi)關(guān)的焊盤位于背面，需要焊接到印刷電路板上。

在評(píng)估套件的原理圖中，注意內(nèi)部圓頂開(kāi)關(guān)的按鈕信號(hào)（標(biāo)記為BUTn）（圖7） ）。按下操縱桿時(shí)，這將短接到地面。

圖7：在AS5013評(píng)估板原理圖上，請(qǐng)注意按鈕信號(hào)（BUTn）按下操縱桿時(shí)，內(nèi)部圓頂開(kāi)關(guān)會(huì)短路接地。 （圖像來(lái)源：ams）

評(píng)估設(shè)置

為了評(píng)估ams操縱桿，它可以連接到NXP的FRDM-KL05Z板，它使用非常小且成本低32位ARM ? Cortex ? M0 +。只需要4根導(dǎo)線：3.3伏，接地，I 2 C SLK和I 2 C SDA。

圖8：FRDM-KL05Z和AS5013評(píng)估套件僅使用4根電線進(jìn)行連接。 （圖片來(lái)源：Digi-Key）

嵌入式代碼是使用mbed開(kāi)發(fā)系統(tǒng)（mbed.org）編寫的。它是一個(gè)免費(fèi)的基于Web的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）。編程語(yǔ)言類似于Arduino草圖，但實(shí)際上是帶有庫(kù)類的C ++。代碼是開(kāi)源的，整個(gè)項(xiàng)目可以在這里獲得。

嵌入式代碼非常簡(jiǎn)單，充當(dāng)套件和主機(jī)PC之間的橋梁。 FRDM-KL05Z與AS5013之間的通信通過(guò)2線I 2 C進(jìn)行。代碼的主要部分在連續(xù)的while循環(huán)中運(yùn)行（清單1）。每隔100 ms，讀取AS5013的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)虛擬USB UART COM設(shè)備以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）;//構(gòu)造I2c對(duì)象

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

串行電腦（USBTX，USBRX）;//可選，但需要設(shè)置更快的波特

char data [7];

int main（）{

int8_t x，y;//x y要打印到終端的值

uint8_t statusF;//狀態(tài)標(biāo)志

pc.baud（115200）;

init_AS5013（）;//重置并初始化AS5013

while（1）{//無(wú)限循環(huán)

wait（0.1）;//等待100毫秒

statusF = 0;

data [0] = 0x0f;

i2c.write（addr，data，1）;//設(shè)置為讀取地址0x0f

i2c.read（addr，data，3）;//在寄存器0x0f，0x10,0x11讀取數(shù)據(jù)

statusF = data [0];//獲取狀態(tài)字節(jié)

if（statusF＆amp; 0x01）{

x = data [1];//get x

y = data [2];//得到

printf（“％d％d”，x，y）;//輸出結(jié)果

printf（“ n”）;

}

< p> else {

pc.printf（“error 0x％x n”，statusF）;//不應(yīng)該到這里

}

}

}//結(jié)束

清單1：使用“mbed”IDE的main（）源代碼。這是在FRDM-KL05Z板上運(yùn)行的代碼。它由一個(gè)無(wú)限循環(huán)組成，它從I 2 C接口讀取X和Y值。 （代碼來(lái)源：mbed）

在主機(jī)PC端，您有許多選擇。最簡(jiǎn)單的方法是使用終端程序，如Tera Term for Windows或MiniCom for Linux。終端輸出列出了X和Y的值（圖9）。 AS5013為X和Y提供8位有符號(hào)值，相對(duì)于Y = X = 0（校準(zhǔn)后）的中心位置，從+128到-127。

圖9：連續(xù)顯示AS5013 X和Y 8位值的Tera Term輸出。 （圖像來(lái)源：Digi-Key）

PC圖形顯示

用Python 3.6編寫的程序提供了很好的數(shù)據(jù)可視化。代碼可以在GitHub上獲得。

這個(gè)程序是用Windows 7編寫和測(cè)試的，但相同的代碼將在Linux或Mac上運(yùn)行。 Python可以從python.org下載。

圖10顯示了“示波器”顯示中X和Y數(shù)據(jù)的輸出。 X顯示在藍(lán)色跡線中，Y顯示為紅色。

圖10：顯示X（藍(lán)色）和Y（紅色）操縱桿移動(dòng)。操縱桿左右上下移動(dòng)。 （圖像來(lái)源：Digi-Key）

第二個(gè)選項(xiàng)與棒的移動(dòng)同步地在屏幕周圍移動(dòng)一個(gè)小圓圈（圖11）。屏幕中心的紅色圓圈對(duì)應(yīng)于默認(rèn)的桿位置，其中X和Y均為零。未觸摸時(shí)，操縱桿返回此位置。

圖11：紅色圓圈（代表操縱桿）在中間位置或中心位置的位置。 （圖像來(lái)源：Digi-Key）

圖12：當(dāng)棒被推到鞋面時(shí)紅圈在左上象限中的位置剩下。 （圖片來(lái)源：Digi-Key）

偏移效應(yīng)和校準(zhǔn)

如前所述，磁性組件模塊的正確定位非常重要，因?yàn)樗苯游挥贏S5013的上方（或下方）。不這樣做會(huì)產(chǎn)生偏移。在這種情況下，中心位置X和Y值將不為零。為了克服這個(gè)問(wèn)題，計(jì)算每個(gè)軸的偏移并將其添加到最終結(jié)果中。圖13和圖14顯示了校準(zhǔn)前偏移的影響。

圖13：帶偏移的X-Y值。請(qǐng)注意，零位置低于中心線。 （圖像來(lái)源：Digi-Key）

圖14：由于偏移而偏離中心的操縱桿位置。 （圖片來(lái)源：Digi-Key）

校準(zhǔn)非常簡(jiǎn)單。當(dāng)程序首次啟動(dòng)時(shí)，取幾個(gè)讀數(shù)的X和Y值，并將棒放在中心位置，取平均值并加上或減去一個(gè)偏移量，使結(jié)果為零。

縮放

磁鐵與AS5013之間的距離因設(shè)計(jì)而異，影響了獲得+/- 127滿量程讀數(shù)的能力。例如，電路板厚度會(huì)影響靈敏度。幸運(yùn)的是，這可以通過(guò)AS5013的寄存器0x2D中設(shè)置的“縮放因子”來(lái)控制。如果磁鐵距離太近，則應(yīng)將其從默認(rèn)值100％降低。相反，如果磁鐵太遠(yuǎn)，應(yīng)該增加。通過(guò)改變比例因子也可以調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)靈敏度。

低功耗模式

AS5013可以進(jìn)入超低功耗模式，可以被喚醒通過(guò)將桿移動(dòng)到用戶可配置的閾值。喚醒后，它可以向主機(jī)MCU產(chǎn)生中斷，然后繼續(xù)正常操作。

高級(jí)傳感器數(shù)據(jù)

總共有五個(gè)霍爾傳感器?？梢詮拿總€(gè)傳感器讀取原始數(shù)據(jù)并將其用于自定義配置。一個(gè)有趣的應(yīng)用是感應(yīng)磁鐵在Z方向上移動(dòng)，模仿按鈕。隨著磁鐵靠近AS5013，中心霍爾元件值增加。這可以與固定閾值進(jìn)行比較以確定推動(dòng)狀態(tài)。其余四個(gè)霍爾傳感器也會(huì)受到較小的影響。然而，在外部寄生磁場(chǎng)的情況下，這四個(gè)傳感器可用于改善檢測(cè)。在ams的應(yīng)用筆記AN5013-20中有一個(gè)很好的例子。

然而，當(dāng)使用磁性組件模塊時(shí)，圓頂開(kāi)關(guān)是一種更簡(jiǎn)單，更強(qiáng)大的按鈕按壓解決方案。

結(jié)論

AS5013和磁性裝配模塊是小而精確的操縱桿界面的理想選擇。它非常敏感，可以對(duì)很小的動(dòng)作做出反應(yīng)。在許多情況下，它是大型電位計(jì)或昂貴的應(yīng)變計(jì)操縱桿的理想替代品。評(píng)估套件提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。