按钮/开关/旋转侦测难不倒 LDC实现创新人机接口设计

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度110票   时间:2016年12月08日 04:59
如何精准感知使用者的操作动作,并且兼顾系统的可靠性、耐久性,是人机介面设计的一大学问。从传统机械式方案到近几年大为流行的电容感测方案,各自有其优缺点,电感数位感测技术则另辟蹊径,可改良现有感测方法的缺陷。

传统上,电器和消费性电子产品上的按钮是由可动的机械结构搭配电阻接触感测解决方案来实现的。但是可动零件长期使用后,稳定性是一大问题,而且其外表也不太美观。此外,机械式按钮也使电子产品的外壳无法完全密封,因此容易受到潮湿和其它污染物的影响。  
虽然电容感测按钮的出现,解决了机械按钮的稳定性等诸多问题,但电容按钮仍会受到按钮表面上的水滴等外来物质影响。此外,目前市面上贩售的手套,大多会阻挠电容感测,让使用者无法戴着手套来操作电容按钮。  

利用电感数位转换(LDC)技术来实现的金属触控(touch-on-metal,ToM)是一种更理想的设计。金属触控不仅能实现时尚又非常可靠的按钮,而且其机壳可由单片金属制造而成,具有很高的成本效益,且不会因潮湿环境而受损。本文将介绍金属触控感测基本架构及各种应用范例。  

金属触控按钮感测架构解析  

在金属触控感测中,包含了线圈感测器及LDC感应晶片两大元素。线圈感测器是一个与外部环境隔离,位于机壳内部的印刷电路板(PCB)线圈。金属机壳与感测器的距离出现变化时,会连带造成电感值变化。LDC则负责检测电感变化,藉此判断使用者的操作动作。  

像是LDC1612和LDC1614等德州仪器(TI)提供的28位元LDC,均具备极高的感应精度,可侦测金属与感测器之间亚微米等级的距离变化。因此,即便使用者只是轻轻按压金属机壳,造成肉眼不可见的变形,还是可以检测出来。  

图1是一个利用厚度0.25公厘的铝片做出直径20公厘圆形按钮的应用。此按钮与PCB之间正常的距离为0.55公厘,离PCB上的感测线圈很远。而在一般按压情况下,按钮会产生5微米(μm)的变形。  


图1 按钮按压导致金属弯曲变形,使得感测线圈上的电容值出现改变。
LDC1612有可配置的解析度和采样速率功能,使得在设计人机介面和金属变形距离时可发挥最大弹性。在此范例中,LDC1612设定的采样速率为每秒155次,解析度则设定为13位元。这样的设定使其足以在0.55公厘的距离上侦测出5微米以下的金属变形。  

应用开发者可以在微控制器(MCU)上设定好阈值,当LDC侦测到超过预设阈值的电容值时,就可以判断该按钮已经被使用者按下。应用开发者也可以在系统中添加触觉回馈功能,以告诉使用者该按钮已被按下。  

图2显示按钮被按下4次时的LDC1612原始输出和阀值设置。当LDC输出通过阀值时,微控制器能告知按钮下压事件已经发生,并且触发一个触觉反应。应用开发者可以根据应用需求来设定阀值的高低,若设得越高,则使用者要用越大的力量来按压按钮才会有反应;反之,若阈值设定较低,则使用者只要轻轻一碰,按钮就会动作。  


图2 按钮被按下4次时的LDC1612输出回应
显而易见地,这项感应技术和其后续的处理特性,除了用来实现按钮之外,还可以延伸出其他可能性。  

简化开关侦测应用 
除了按钮外,同样的技术也可以用来侦测物件的开关,甚至是齿轮的转速。传统上,侦测物件开关在设计上有其复杂度,且往往会有稳定性的困扰;要测量长期暴露于尘土或油污环境中齿轮的转速,也是相当大的挑战。某些不利的环境因素将可能干扰感测器的通讯,进而导致故障。 

取决于开关应用上所使用的特定技术,亦有其它难题需要被解决。举例来说,利用磁铁或磁性材料零组件来实现的开关侦测,受限于零组件变异/公差的影响,往往无法很精准,因此经常需要在生产过程中进行校准,进而产生了不精准的开关阀值。温度变化和零组件老化等问题,也影响开关阀值的精准性和重复性。 

差动式感应开关是一个解决上述问题的有效方法,例如TI的LDC0851差动式感应开关,便可提升温度稳定开关阀值的精准度,达到线圈直径的1%,进而免除对生产校准的需要。 

如图3所示,LDC0851会在两个已配对的印刷电路板(PCB)线圈之间执行简单的感应比较。而输出开关的高低值取决于哪个线圈具有较少的电感。 


图3 LDC0851差动式感应开关功能图解
此全新的开关方法主要对以下两类应用有所助益: 

.需要非接触式和可重复开关阀值的近距离侦测应用: 

包括简单的按钮、开/关门侦测机制和工业近距离开关等应用。图4显示的是一个近距离侦测应用,其中LDC0851在没有接电的情况下,感测到一个金属弹片按钮的位置。可调阀值能轻松地实现原型设计,并进行反应上的微调以侦测按钮的反应。 


图4 简单按钮应用范例下的近距离侦测
.在脏污和恶劣环境下的事件计数应用: 

这类应用的典型案例为流量计、齿轮速度测量装置和旋转编码器等;这些应用都能从感应开关本身的稳健性中受益。TI所设计的感应感测32位编码器旋钮参考设计,使用LDC0851搭配32位编码器旋钮,其常见于车载资通讯系统或家用电器的介面(例如炉灶和音量调节按钮)中。 

(本文作者任职于德州仪器)




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