【導讀】一直以來，旋轉(zhuǎn)撥盤被廣泛應用于各種人機界面 (HMI) 應用中。從汽車、白色家電，再到手機觸摸屏，各種日用設備的觸摸界面中都包括了按鈕、旋鈕和撥盤功能。這些功能不僅將人類輸入轉(zhuǎn)化為電信號，而且還提供了一項重要的功能——觸覺反饋。這種功能對時間敏感情況下的安全相關(guān)功能尤其有用，例如當用戶在黑暗的駕駛艙移動艙內(nèi)部時，或者調(diào)節(jié)醫(yī)用泵的流量時（見圖 1），按鈕應該要很容易通過觸摸來定位，而無需額外的視覺識別。
圖 1：汽車內(nèi)部的控制臺和方向盤控制
然而，新設計不斷推陳出新，解決方案也更加新穎以適應新的外形要求、提供越來越多的功能，并延長 HMI 的使用壽命。傳統(tǒng)的按鈕和旋轉(zhuǎn)撥盤此時成為了一個限制因素。因為它們體積很大，從按鈕到 PCB 上的焊點之間又具有剛性耦合，而且觸點的布局也導致了特定、有限的使用壽命。
例如，許多白色家電的面板上都有一個看似簡單的單按鈕界面。整臺機器（包括旋鈕）在數(shù)小時的運行中都會受到振動、溫度波動和濕度的影響。這種惡劣的環(huán)境會對旋鈕的使用壽命產(chǎn)生不利影響，而按鈕的軸也為濕氣侵入其他控制電子設備提供了通道。緩解這些問題可能代價高昂。
將現(xiàn)代磁傳感器用于 HMI 應用可以極大地降低總設計成本，同時還能提高可靠性和機械設計的靈活性。本文將深入介紹了這種優(yōu)化HMI 應用的基本思想和設計注意事項。
利用簡單且經(jīng)濟高效的傳感原理
集成霍爾效應的磁角度傳感器能夠檢測磁場的旋轉(zhuǎn)。例如，一個旋轉(zhuǎn)部件連接了小型指示磁鐵的傳感器就可以實現(xiàn)功能完全的非接觸式旋鈕。只需將磁角度傳感器與磁鐵的旋轉(zhuǎn)軸對齊，即可通過磁鐵旋轉(zhuǎn)來感應旋鈕的實際旋轉(zhuǎn)位置。這種傳感器無需在電子設備和觸覺轉(zhuǎn)子（例如雨刷電位器）之間建立機械連接即可運行。使用磁傳感器可實現(xiàn)簡單且高度可靠的設計，而且使用壽命極長。
圖 2 顯示了一個用MA800 實現(xiàn)的旋鈕，MA800 是MPS提供的一款用于改善HMI 應用的磁傳感器。它采用 MPS 專有的 SpinAxis? 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸、高性價比的角度傳感器。
圖 2：帶磁感應的旋鈕橫截面
整個磁傳感器對只需占用很小的體積，它留出了足夠的空間，以通過軸承、棘爪或光導來定制旋鈕的觸覺或視覺外觀。如圖 2 中的配置，其占位面積小于 5mmx5mm，只占電位器產(chǎn)品尺寸的一小部分。電位器沿單邊測量通常為10mm。
可靠性設計并滿足制造公差
磁傳感器因其非接觸式原理而異?？煽?。這與傳統(tǒng)的滑環(huán)電位器形成鮮明對比?；h(huán)電位器因接觸性而備受詬病，其典型使用壽命大約為 250,000 次循環(huán)。不過，磁傳感器在某些方面也受到一些限制并產(chǎn)生失真，需要想辦法避免。
第一個潛在的失真源是傳感器相對于旋轉(zhuǎn)軸的橫向位移。這些位移可能由于不精確的生產(chǎn)過程造成，也可能由于設備在使用過程中的磨損造成。它會導致磁場的非線性，并被傳感器拾取。
例如，采用圖 2中的設置，失配低于 0.5° 意味著橫向公差為 ±0.2mm，完全在典型制造公差范圍之內(nèi)。如果出于某種原因需要更大的公差，則可以采用更大的磁體直徑或環(huán)形磁體來實現(xiàn)穩(wěn)健的設計。例如，將磁體直徑從 5mm 增加到 8mm 可以將橫向公差提高到 ±0.4mm。
磁體尺寸對于處理磁體和傳感器之間的氣隙變化至關(guān)重要。關(guān)鍵在于，這種變化的偏差不能使傳感器位置的磁通量密度超出其要求的條件。如圖 2所示，氣隙可以在 0.0毫米和 3.1 毫米之間變化而不會超出 MA800 的規(guī)格。通過在氣隙與磁體尺寸之間進行權(quán)衡，能夠提供機械設計的靈活性，從而滿足制造公差的要求。例如，較寬的目標磁體允許更大的氣隙。
請注意，在本文中，所有磁性分析均利用了現(xiàn)有公開的磁模擬工具。該模擬工具允許設計人員快速檢查特定的磁配置，并對公差或未對準產(chǎn)生的影響進行深入調(diào)查。
按鈕
除了旋轉(zhuǎn)功能以外，有些HMI 應用還需要按鈕功能。MA800可以在氣隙變化引起磁場強度變化時，檢測到按鈕事件。圖 3 顯示了按鈕和旋鈕組合的典型應用。
圖 3：具有按鈕功能的旋鈕橫截面
圖 4 顯示了與磁體和傳感器之間的距離相關(guān)的磁場梯度，以及單閾值和雙閾值之間的差異（下面將對此進行詳細描述）。1mm的軸向位移、1.5mm的標稱氣隙和0.5mm氣隙的按壓位置產(chǎn)生60mT的場強差。MA800 具有可調(diào)節(jié)的磁閾值，可為系統(tǒng)控制器提供不同的輸出信號，以安全地標記這種變化。
圖 4：MA800 的按鈕功能實現(xiàn)
這種非接觸式過程利用了無損檢測原理。其關(guān)鍵在于，確保這種機制的壽命變化不會降低傳感的可靠性。圖 4 疊加顯示了 MA800 的檢測閾值，以及在典型配置下場強曲線頂部的相關(guān)磁滯間隔。標稱磁性設置的設計要點是，確保兩個端點閾值都與磁開關(guān)閾值有足夠的距離，以確保隨著時間的推移可能積聚的外來顆粒不會阻礙機械部件行進到不超過開關(guān)閾值的點。
當沿軸向行進的磁場差值大到足以安全地通過多個開關(guān)閾值時，建議采用不同的閾值來檢測高場強和低場強。圖 4 顯示了這種雙閾值配置的示意圖。雙閾值為整個應用添加了安全功能，它可以檢測機械故障，防止按鈕卡在中間位置。
在選擇非接觸式感應機制（從而避免旋鈕和按鈕的接觸問題）時，按壓機制成為最大的限制因素。圖 3 還表明了一個原理，軸向定位的點擊磁鐵會吸引軸上的鋼環(huán)。這兩者之間的磁力為軸向行程創(chuàng)建了一個閾值，通過材料常數(shù)和涂層可以輕松調(diào)節(jié)該閾值。而且，它在整個生命周期內(nèi)都不存在磨損。
選擇緊湊的低功耗解決方案
MPS 還提供了適用于低功耗電池供電應用的MA782。其磁性設計原則與 MA800 相同。 這款傳感器的刷新率可配置，而且可以將傳感器的平均電流消耗降至10μA 以下。
此外，MA782 還提供一個專用信號，用于指示運動何時超過特定的角度閾值。擁有這種監(jiān)視器，角度傳感器可以用作整個系統(tǒng)的喚醒觸發(fā)器，它可以讓微控制器 (MCU) 和顯示屏保持在睡眠模式，從而節(jié)省大量的電池電量。
再加上MA782 采用的 UTQFN-14 (2mmx2mm) 封裝，它同時實現(xiàn)了超低功耗感應和超小尺寸。這種組合優(yōu)勢在新興應用中可以發(fā)揮重要作用，例如家庭無線恒溫器或折疊手機中的鉸鏈控制（參見圖 5）。
圖 5：采用 MA782 作為傳感器和監(jiān)視器的折疊手機鉸鏈
憑借著小尺寸和低功耗，這些傳感器非常適合那些在旋轉(zhuǎn)軸或鉸鏈末端沒有空間放置傳感器（和 PCB）的應用，可以滿足其嚴格的設計要求。MA782 等器件通過特殊的補償感應遠離旋轉(zhuǎn)軸的磁場，并精確恢復了機械角度和傳感器輸出之間的線性關(guān)系。
結(jié)論
為了使用磁傳感器實現(xiàn) HMI 撥盤和按鈕功能，設計解決方案時需要考慮各種問題，例如觸覺元件的機械裝置與電子設備之間的去耦，同時要為周圍的機械裝置留出足夠的空間。本文為設計高性價比的非接觸式 HMI 解決方案提供了簡單的設計指南，該方案擁有無可比擬的使用壽命和低功耗。
來源：MPS
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