便攜式設備通常需要使用線性雙軸位置傳感器或操縱桿，隨著便攜式設備的激增，對這種傳感能力的需求也在增加。設計人員的任務是滿足關鍵性能要求，如靈敏度，準確度，低功耗和更平穩(wěn)的操作，同時還降低成本，減小尺寸，并添加觸覺反饋等功能。

本文將介紹在介紹為移動設備設計低成本，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：兩個正交電位器，用于通過旋轉軸的機構進行X和Y運動（圖1）。這些工作良好且價格低廉，但相當大并且在中心位置周圍有明顯的睫毛。此外，電位器觸點易受環(huán)境因素的影響，這可能會引入噪聲并降低可靠性。

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

PC筆記本電腦鍵盤中嵌入的無處不在的“指點桿”使用了力敏感或應變計電阻作為傳感元件（圖2）。這些電阻器放置在桿的四個側面上。移動棒壓縮一個或多個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力反饋。向下按壓桿會改變所有四個電阻器的值，從而可以測量Z軸位移。問題是這些指點桿不再以高容量制造。目前可用的是非常昂貴的，可能花費數(shù)十甚至數(shù)百美元。

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

使用磁鐵檢測運動

另一種操縱桿解決方案是來自ams的AS5013霍爾效應IC，它使用微小的移動磁鐵來確定X-Y位置。 AS5013是一個完整的解決方案，包含五個傳感器和一個處理引擎，與主機處理器的集成非常容易。它具有體積?。?.7 mm 2 ），精確，低功耗，可靠且易于實施的優(yōu)點。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。它將檢測磁體在標稱±1 mm范圍內(nèi)的運動。

圖3：AS5013和軸向磁鐵的典型布置（圖像來源：ams）

磁鐵在磁鐵上的移動霍爾元件產(chǎn)生幾何分布的響應，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。霍爾元件C1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，磁體位移大于±1.0 mm。

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

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

圖5：AS5013與主機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I 2 C信號（SDA和SCL）。 ADDR引腳選擇兩個I 2 C地址之一。 （圖片來源：ams）

為了簡化AS5013的開發(fā)，ams提供了AS5013-QF_EK_AB評估套件（圖6），可以輕松連接到Arduino或NXP Freedom板。

圖6：AS5013-QF_EK_AB評估套件簡化了AMS5013的開發(fā)，包含兩個主要組件：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)會有偏移，這將在后面討論。

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

磁性組件模塊還有一個內(nèi)部圓頂開關。按下桿，常開（N.O.）開關被激活，作為按鈕點擊。開關的焊盤位于背面，需要焊接到印刷電路板上。

在評估套件的原理圖中，注意內(nèi)部圓頂開關的按鈕信號（標記為BUTn）（圖7） ）。按下操縱桿時，這將短接到地面。

圖7：在AS5013評估板原理圖上，請注意按鈕信號（BUTn）按下操縱桿時，內(nèi)部圓頂開關會短路接地。 （圖像來源：ams）

評估設置

為了評估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根導線：3.3伏，接地，I 2 C SLK和I 2 C SDA。

圖8：FRDM-KL05Z和AS5013評估套件僅使用4根電線進行連接。 （圖片來源：Digi-Key）

嵌入式代碼是使用mbed開發(fā)系統(tǒng)（mbed.org）編寫的。它是一個免費的基于Web的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。編程語言類似于Arduino草圖，但實際上是帶有庫類的C ++。代碼是開源的，整個項目可以在這里獲得。

嵌入式代碼非常簡單，充當套件和主機PC之間的橋梁。 FRDM-KL05Z與AS5013之間的通信通過2線I 2 C進行。代碼的主要部分在連續(xù)的while循環(huán)中運行（清單1）。每隔100 ms，讀取AS5013的數(shù)據(jù)，然后通過虛擬USB UART COM設備以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）;//構造I2c對象

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

串行電腦（USBTX，USBRX）;//可選，但需要設置更快的波特

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)標志

pc.baud（115200）;

init_AS5013（）;//重置并初始化AS5013

while（1）{//無限循環(huán)

wait（0.1）;//等待100毫秒

statusF = 0;

data [0] = 0x0f;

i2c.write（addr，data，1）;//設置為讀取地址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）;//輸出結果

printf（“ n”）;

}

< p> else {

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

}

}

}//結束

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

在主機PC端，您有許多選擇。最簡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位有符號值，相對于Y = X = 0（校準后）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。

這個程序是用Windows 7編寫和測試的，但相同的代碼將在Linux或Mac上運行。 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顯示在藍色跡線中，Y顯示為紅色。

圖10：顯示X（藍色）和Y（紅色）操縱桿移動。操縱桿左右上下移動。 （圖像來源：Digi-Key）

第二個選項與棒的移動同步地在屏幕周圍移動一個小圓圈（圖11）。屏幕中心的紅色圓圈對應于默認的桿位置，其中X和Y均為零。未觸摸時，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。 （圖像來源：Digi-Key）

圖12：當棒被推到鞋面時紅圈在左上象限中的位置剩下。 （圖片來源：Digi-Key）

偏移效應和校準

如前所述，磁性組件模塊的正確定位非常重要，因為它直接位于AS5013的上方（或下方）。不這樣做會產(chǎn)生偏移。在這種情況下，中心位置X和Y值將不為零。為了克服這個問題，計算每個軸的偏移并將其添加到最終結果中。圖13和圖14顯示了校準前偏移的影響。

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

圖14：由于偏移而偏離中心的操縱桿位置。 （圖片來源：Digi-Key）

校準非常簡單。當程序首次啟動時，取幾個讀數(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偏移量，使結果為零。

縮放

磁鐵與AS5013之間的距離因設計而異，影響了獲得+/- 127滿量程讀數(shù)的能力。例如，電路板厚度會影響靈敏度。幸運的是，這可以通過AS5013的寄存器0x2D中設置的“縮放因子”來控制。如果磁鐵距離太近，則應將其從默認值100％降低。相反，如果磁鐵太遠，應該增加。通過改變比例因子也可以調(diào)節(jié)運動靈敏度。

低功耗模式

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

高級傳感器數(shù)據(jù)

總共有五個霍爾傳感器?？梢詮拿總€傳感器讀取原始數(shù)據(jù)并將其用于自定義配置。一個有趣的應用是感應磁鐵在Z方向上移動，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行比較以確定推動狀態(tài)。其余四個霍爾傳感器也會受到較小的影響。然而，在外部寄生磁場的情況下，這四個傳感器可用于改善檢測。在ams的應用筆記AN5013-20中有一個很好的例子。

然而，當使用磁性組件模塊時，圓頂開關是一種更簡單，更強大的按鈕按壓解決方案。

結論

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，可以對很小的動作做出反應。在許多情況下，它是大型電位計或昂貴的應變計操縱桿的理想替代品。評估套件提供了一個簡單的開發(fā)平臺。