【導讀】一直以來，旋轉撥盤被廣泛應用於各種人機界麵 (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麵中都包括了按鈕、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功能尤其有用，例如當用戶在黑暗的駕駛艙移動艙內部時，或者調節醫用泵的流量時（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：汽車內部的控製台和方向盤控製

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
，並延長 HMI 的使用壽命。傳統的按鈕和旋轉撥盤此時成為了一個限製因素。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
，許多白色家電的麵板上都有一個看似簡單的單按鈕界麵。整台機器（包括旋鈕）在數小時的運行中都會受到振動
、溫(wen)度(du)波(bo)動(dong)和(he)濕(shi)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)。這(zhe)種(zhong)惡(e)劣(lie)的(de)環(huan)境(jing)會(hui)對(dui)旋(xuan)鈕(niu)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)產(chan)生(sheng)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)
，而(er)按(an)鈕(niu)的(de)軸(zhou)也(ye)為(wei)濕(shi)氣(qi)侵(qin)入(ru)其(qi)他(ta)控(kong)製(zhi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)提(ti)供(gong)了(le)通(tong)道(dao)。緩(huan)解(jie)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)可(ke)能(neng)代(dai)價(jia)高(gao)昂(ang)。

將現代磁傳感器用於 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化HMI 應用的基本思想和設計注意事項。

利用簡單且經濟高效的傳感原理

集ji成cheng霍huo爾er效xiao應ying的de磁ci角jiao度du傳chuan感gan器qi能neng夠gou檢jian測ce磁ci場chang的de旋xuan轉zhuan。例li如ru
，一yi個ge旋xuan轉zhuan部bu件jian連lian接jie了le小xiao型xing指zhi示shi磁ci鐵tie的de傳chuan感gan器qi就jiu可ke以yi實shi現xian功gong能neng完wan全quan的de非fei接jie觸chu式shi旋xuan鈕niu。隻zhi需xu將jiang磁ci角jiao度du傳chuan感gan器qi與yu磁ci鐵tie的de旋xuan轉zhuan軸zhou對dui齊qi，即ji可ke通tong過guo磁ci鐵tie旋xuan轉zhuan來lai感gan應ying旋xuan鈕niu的de實shi際ji旋xuan轉zhuan位wei置zhi。這zhe種zhong傳chuan感gan器qi無wu需xu在zai電dian子zi設she備bei和he觸chu覺jiao轉zhuan子zi（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 實現的旋鈕，MA800 是MPS提供的一款用於改善HMI 應用的磁傳感器。它采用 MPS 專有的 SpinAxis™ 技術
，能夠實現小尺寸、高性價比的角度傳感器。

圖 2：帶磁感應的旋鈕橫截麵

整個磁傳感器對隻需占用很小的體積，它留出了足夠的空間，以通過軸承、棘爪或光導來定製旋鈕的觸覺或視覺外觀。如圖 2 中的配置，其占位麵積小於 5mmx5mm，隻占電位器產品尺寸的一小部分。電位器沿單邊測量通常為10mm。

可靠性設計並滿足製造公差

磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)因(yin)其(qi)非(fei)接(jie)觸(chu)式(shi)原(yuan)理(li)而(er)異(yi)常(chang)可(ke)靠(kao)。這(zhe)與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)滑(hua)環(huan)電(dian)位(wei)器(qi)形(xing)成(cheng)鮮(xian)明(ming)對(dui)比(bi)。滑(hua)環(huan)電(dian)位(wei)器(qi)因(yin)接(jie)觸(chu)性(xing)而(er)備(bei)受(shou)詬(gou)病(bing)，其(qi)典(dian)型(xing)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)大(da)約(yue)為(wei) 250,000 次循環。不過

，磁傳感器在某些方麵也受到一些限製並產生失真，需要想辦法避免。

第di一yi個ge潛qian在zai的de失shi真zhen源yuan是shi傳chuan感gan器qi相xiang對dui於yu旋xuan轉zhuan軸zhou的de橫heng向xiang位wei移yi。這zhe些xie位wei移yi可ke能neng由you於yu不bu精jing確que的de生sheng產chan過guo程cheng造zao成cheng
，也ye可ke能neng由you於yu設she備bei在zai使shi用yong過guo程cheng中zhong的de磨mo損sun造zao成cheng。它ta會hui導dao致zhi磁ci場chang的de非fei線xian性xing
，並bing被bei傳chuan感gan器qi拾shi取qu。

例如，采用圖 2中的設置，失配低於 0.5° 意味著橫向公差為 ±0.2mm，完(wan)全(quan)在(zai)典(dian)型(xing)製(zhi)造(zao)公(gong)差(cha)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)。如(ru)果(guo)出(chu)於(yu)某(mou)種(zhong)原(yuan)因(yin)需(xu)要(yao)更(geng)大(da)的(de)公(gong)差(cha)，則(ze)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)更(geng)大(da)的(de)磁(ci)體(ti)直(zhi)徑(jing)或(huo)環(huan)形(xing)磁(ci)體(ti)來(lai)實(shi)現(xian)穩(wen)健(jian)的(de)設(she)計(ji)。例(li)如(ru)
，將(jiang)磁(ci)體(ti)直(zhi)徑(jing)從(cong) 5mm 增加到 8mm 可以將橫向公差提高到 ±0.4mm。

citichicunduiyuchulicitihechuanganqizhijiandeqixibianhuazhiguanzhongyao。guanjianzaiyu，zhezhongbianhuadepianchabunengshichuanganqiweizhidecitongliangmiduchaochuqiyaoqiudetiaojian。rutu 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de規gui格ge。通tong過guo在zai氣qi隙xi與yu磁ci體ti尺chi寸cun之zhi間jian進jin行xing權quan衡heng，能neng夠gou提ti供gong機ji械xie設she計ji的de靈ling活huo性xing，從cong而er滿man足zu製zhi造zao公gong差cha的de要yao求qiu。例li如ru，較jiao寬kuan的de目mu標biao磁ci體ti允yun許xu更geng大da的de氣qi隙xi。

請qing注zhu意yi，在zai本ben文wen中zhong
，所suo有you磁ci性xing分fen析xi均jun利li用yong了le現xian有you公gong開kai的de磁ci模mo擬ni工gong具ju。該gai模mo擬ni工gong具ju允yun許xu設she計ji人ren員yuan快kuai速su檢jian查zha特te定ding的de磁ci配pei置zhi，並bing對dui公gong差cha或huo未wei對dui準zhun產chan生sheng的de影ying響xiang進jin行xing深shen入ru調tiao查zha。

按鈕

除了旋轉功能以外，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麵

圖 4 顯示了與磁體和傳感器之間的距離相關的磁場梯度，以及單閾值和雙閾值之間的差異（下麵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氣隙的按壓位置產生60mT的場強差。MA800 具有可調節的磁閾值，可為係統控製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

這種非接觸式過程利用了無損檢測原理。其關鍵在於，確保這種機製的壽命變化不會降低傳感的可靠性。圖 4 疊加顯示了 MA800 的(de)檢(jian)測(ce)閾(yu)值(zhi)，以(yi)及(ji)在(zai)典(dian)型(xing)配(pei)置(zhi)下(xia)場(chang)強(qiang)曲(qu)線(xian)頂(ding)部(bu)的(de)相(xiang)關(guan)磁(ci)滯(zhi)間(jian)隔(ge)。標(biao)稱(cheng)磁(ci)性(xing)設(she)置(zhi)的(de)設(she)計(ji)要(yao)點(dian)是(shi)，確(que)保(bao)兩(liang)個(ge)端(duan)點(dian)閾(yu)值(zhi)都(dou)與(yu)磁(ci)開(kai)關(guan)閾(yu)值(zhi)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)距(ju)離(li)，以(yi)確(que)保(bao)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)可(ke)能(neng)積(ji)聚(ju)的(de)外(wai)來(lai)顆(ke)粒(li)不(bu)會(hui)阻(zu)礙(ai)機(ji)械(xie)部(bu)件(jian)行(xing)進(jin)到(dao)不(bu)超(chao)過(guo)開(kai)關(guan)閾(yu)值(zhi)的(de)點(dian)。

當沿軸向行進的磁場差值大到足以安全地通過多個開關閾值時，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製（從而避免旋鈕和按鈕的接觸問題）時
，按壓機製成為最大的限製因素。圖 3 還(hai)表(biao)明(ming)了(le)一(yi)個(ge)原(yuan)理(li)
，軸(zhou)向(xiang)定(ding)位(wei)的(de)點(dian)擊(ji)磁(ci)鐵(tie)會(hui)吸(xi)引(yin)軸(zhou)上(shang)的(de)鋼(gang)環(huan)。這(zhe)兩(liang)者(zhe)之(zhi)間(jian)的(de)磁(ci)力(li)為(wei)軸(zhou)向(xiang)行(xing)程(cheng)創(chuang)建(jian)了(le)一(yi)個(ge)閾(yu)值(zhi)，通(tong)過(guo)材(cai)料(liao)常(chang)數(shu)和(he)塗(tu)層(ceng)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)調(tiao)節(jie)該(gai)閾(yu)值(zhi)。而(er)且(qie)
，它(ta)在(zai)整(zheng)個(ge)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)內(nei)都(dou)不(bu)存(cun)在(zai)磨(mo)損(sun)。

選擇緊湊的低功耗解決方案

MPS 還提供了適用於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(hai)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)專(zhuan)用(yong)信(xin)號(hao)，用(yong)於(yu)指(zhi)示(shi)運(yun)動(dong)何(he)時(shi)超(chao)過(guo)特(te)定(ding)的(de)角(jiao)度(du)閾(yu)值(zhi)。擁(yong)有(you)這(zhe)種(zhong)監(jian)視(shi)器(qi)
，角(jiao)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)用(yong)作(zuo)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)喚(huan)醒(xing)觸(chu)發(fa)器(qi)
，它(ta)可(ke)以(yi)讓(rang)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi) (MCU) 和顯示屏保持在睡眠模式，從而節省大量的電池電量。

再加上MA782 采用的 UTQFN-14 (2mmx2mm) 封feng裝zhuang
，它ta同tong時shi實shi現xian了le超chao低di功gong耗hao感gan應ying和he超chao小xiao尺chi寸cun。這zhe種zhong組zu合he優you勢shi在zai新xin興xing應ying用yong中zhong可ke以yi發fa揮hui重zhong要yao作zuo用yong，例li如ru家jia庭ting無wu線xian恒heng溫wen器qi或huo折zhe疊die手shou機ji中zhong的de鉸jiao鏈lian控kong製zhi（參見圖 5）。

圖 5：采用 MA782 作為傳感器和監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軸的磁場，並精確恢複了機械角度和傳感器輸出之間的線性關係。

結論

為了使用磁傳感器實現 HMI 撥(bo)盤(pan)和(he)按(an)鈕(niu)功(gong)能(neng)
，設(she)計(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)時(shi)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)各(ge)種(zhong)問(wen)題(ti)，例(li)如(ru)觸(chu)覺(jiao)元(yuan)件(jian)的(de)機(ji)械(xie)裝(zhuang)置(zhi)與(yu)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)之(zhi)間(jian)的(de)去(qu)耦(ou)，同(tong)時(shi)要(yao)為(wei)周(zhou)圍(wei)的(de)機(ji)械(xie)裝(zhuang)置(zhi)留(liu)出(chu)足(zu)夠(gou)的(de)空(kong)間(jian)。本(ben)文(wen)為(wei)設(she)計(ji)高(gao)性(xing)價(jia)比(bi)的(de)非(fei)接(jie)觸(chu)式(shi) 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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