【導(dǎo)讀】大多數(shù)旋轉(zhuǎn)用戶接口中使用的機(jī)械電位計(jì)和開(kāi)關(guān)都存在壽命短和可靠性低的問(wèn)題，這是由于接口機(jī)械磨損和對(duì)環(huán)境損害的敏感性導(dǎo)致的。本文討論了磁性非接觸式傳感如何消除這些問(wèn)題，以及它所具有的其他優(yōu)勢(shì)與特性。
旋鈕被用于各種人機(jī)接口應(yīng)用，從洗衣機(jī)上的程序選擇器到汽車的信息娛樂(lè)系統(tǒng)和導(dǎo)航控制系統(tǒng)，再到烤箱上的溫度控制旋鈕。這些應(yīng)用通常都采用傳統(tǒng)電位計(jì)，或在某些情況下采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)。這些方法的缺點(diǎn)是使用壽命短。因?yàn)殡娢挥?jì)的電阻走線或開(kāi)關(guān)上的觸點(diǎn)會(huì)在不斷重復(fù)的轉(zhuǎn)動(dòng)中磨損，使這種解決方案的壽命通常僅限于大約十萬(wàn)個(gè)旋轉(zhuǎn)周期。而且，由于灰塵或濕氣侵入旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)等環(huán)境因素，它們很容易發(fā)生故障。
采用磁性角度傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式傳感的旋轉(zhuǎn)接口則具有明顯的優(yōu)勢(shì)。最重要的一點(diǎn)就是使用壽命更長(zhǎng)，因?yàn)樗鼪](méi)有可磨損的接觸部件。另外，傳感器與磁體物理分隔，這意味著傳感器可以完全密封，從而消除了灰塵或濕氣侵入的可能性。
MagAlpha MA800系列是MPS新型易用的數(shù)字磁性傳感器系列產(chǎn)品，用于替代上述應(yīng)用中的模擬電位器或旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)。該傳感器可以檢測(cè)安裝在旋鈕上的永磁體絕對(duì)角位置。它通常與直徑為3mm至8mm的徑向磁化圓柱形磁體一起使用。
該傳感器系列支持30mT至150mT的寬磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍，這使旋鈕和傳感器的機(jī)械布置具有很大的靈活性。其典型布置如圖1所示。
圖1： MA800非接觸式傳感器的類電位計(jì)組件示例
MA800系列的核心是MPS專有的角度霍爾傳感技術(shù)SpinAxisTM，該技術(shù)可將機(jī)械角度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，而無(wú)需復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)學(xué)計(jì)算。傳感器功能框圖如圖2所示。
圖2: 傳感器功能框圖
這種簡(jiǎn)單而獨(dú)特的方法實(shí)現(xiàn)了高性能和高效益，即使在價(jià)格敏感的消費(fèi)類應(yīng)用中，MA800系列也可以與現(xiàn)有的電位計(jì)或機(jī)械開(kāi)關(guān)解決方案競(jìng)爭(zhēng)。
MA800系列中有三個(gè)成員：MA800, MA820, 和MA850.
MA800傳感器通過(guò)SPI或SSI接口輸出數(shù)字角度讀數(shù)，這使它可以輕松連接所有類型的微控制器。而且，其數(shù)字角度是0到360°機(jī)械角度之間具有8位分辨率的絕對(duì)值，因此即使重新上電，其位置信息也始終是真實(shí)位置。
MA820具有可調(diào)增量式ABZ編碼器接口，它可以提供兩個(gè)正交編碼信號(hào)通道（A和B），每通道的脈沖數(shù)均可編程為每轉(zhuǎn)1至最大64。兩個(gè)通道的90°正交間隔還提供了旋轉(zhuǎn)方向信息。其用途包括了圖形界面上的音量或溫度控制，或菜單選擇滾輪。
MA820還提供一個(gè)索引脈沖輸出（Z），以提供旋鈕的零位置基準(zhǔn)。零基準(zhǔn)可在系統(tǒng)運(yùn)行期間設(shè)置，并存入器件的非易失性存儲(chǔ)器中（見(jiàn)圖3）。
圖3: 正交ABZ波形
MA850提供PWM輸出，可對(duì)其進(jìn)行濾波以提供與角度成比例的線性電壓。因此，MA850適用于需要模擬輸出電壓的應(yīng)用，如改裝為傳統(tǒng)的電位計(jì)解決方案。PWM輸出具有8位分辨率，頻率約為3kHz。在輸出端添加一個(gè)R-C網(wǎng)絡(luò)，可在3.3V電源和10-90％的占空比范圍內(nèi)提供輸出電壓（見(jiàn)圖4）。
對(duì)于0至5V的應(yīng)用，可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器電路對(duì)R-C網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行緩沖，以實(shí)現(xiàn)更寬的輸出電壓范圍。
圖4: 經(jīng)過(guò)濾波的PWM波形
部分旋轉(zhuǎn)接口還需要按鈕功能來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的選擇。例如，要實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)廣播電臺(tái)并選中您想收聽(tīng)的電臺(tái)，過(guò)去只能增加更多的機(jī)械復(fù)雜性，通過(guò)接觸開(kāi)關(guān)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。而MA800系列具有可編程的磁場(chǎng)強(qiáng)度閾值，可檢測(cè)磁體到傳感器的距離，并提供專用信號(hào)來(lái)指示觸發(fā)閾值的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)按鈕或拉鈕功能。然后，通過(guò)旋鈕上簡(jiǎn)單的彈簧作用使磁體更靠近或更遠(yuǎn)離傳感器，即可輕松實(shí)現(xiàn)非接觸式按鈕功能。其閾值設(shè)置如表1所示。
表1: 磁場(chǎng)閾值
通過(guò)可編程的MAGHIGH和MAGLOW閾值可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)檢測(cè)方向，從而檢測(cè)到按或拉的操作。
圖5: 按鈕檢測(cè)B (mT)與氣隙之間的關(guān)系
一旦配置參數(shù)通過(guò)SPI接口寫(xiě)入寄存器，就會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在MA800系列器件的非易失性存儲(chǔ)器中。該存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的參數(shù)包括零角度基準(zhǔn)位置、每轉(zhuǎn)ABZ脈沖設(shè)置以及磁場(chǎng)檢測(cè)閾值。
MA800系列采用3.3V電源供電，并采用QFN（3mmx3mm）封裝，工作溫度為-40°C至+ 125°C。
結(jié)論
MA8xx系列產(chǎn)品獨(dú)特的靈活性為設(shè)計(jì)人員提供了創(chuàng)新的方法，可以提高旋轉(zhuǎn)接口應(yīng)用的可靠性，同時(shí)增強(qiáng)功能性以提升最終用戶體驗(yàn)。它體積小、效益高，適用于各種消費(fèi)類應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用和汽車應(yīng)用。
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