使用電場(chǎng)傳感器MC33794的模擬游戲控制器

引 言
傳感器技術(shù)是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和信息處理技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集的前沿技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。如果說(shuō)計(jì)算機(jī)是人類(lèi)大腦的擴(kuò)展，那么傳感器就是人類(lèi)五官的延伸。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)接口的種類(lèi)越來(lái)越豐富，從早期最簡(jiǎn)單的機(jī)械式按鈕、電位器旋鈕到現(xiàn)在的電容式觸摸感應(yīng)、電場(chǎng)非接觸傳感、人臉識(shí)別及語(yǔ)音識(shí)別等，人機(jī)接口的智能性、易用性及可靠性也顯著提高。本文通過(guò)使用Freescale公司的MC33794電場(chǎng)傳感器，設(shè)計(jì)了一種新型的模擬游戲控制器。該模擬游戲控制器通過(guò)電場(chǎng)傳感器的電極，非接觸感知手掌的姿態(tài)，從而控制模擬游戲中各個(gè)方向上的力度，實(shí)現(xiàn)對(duì)“模擬量”控制的功能。
模擬游戲中，通常需要控制游戲中上、下、左、右各個(gè)方向上的力度。例如汽車(chē)模擬游戲中，通常需要控制游戲中汽車(chē)的油門(mén)及方向，這2個(gè)參數(shù)是確定汽車(chē)行駛的重要參數(shù)，而這些參數(shù)的變化是連續(xù)的，并且在不同的控制力度下汽車(chē)的行駛會(huì)有不同的表現(xiàn)。在以往的低成本游戲控制器中，不能感知這些強(qiáng)度連續(xù)變化的模擬量。在本設(shè)計(jì)中，將手掌放置于模擬游戲控制器電極上方，控制時(shí)只須變化手掌相對(duì)于游戲控制板電極平面的姿態(tài)，就可以將游戲玩家需要的控制強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為對(duì)游戲的控制強(qiáng)度，輸出到游戲控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲中被控物體的控制功能。

1 電場(chǎng)傳感器MC33794
電場(chǎng)是指存在于帶電物體的周?chē)?，使帶電物體能夠受到力的作用的空間。電場(chǎng)普遍存在于自然界中，物體的摩擦?xí)D(zhuǎn)移電荷產(chǎn)生電場(chǎng)，鯊魚(yú)等魚(yú)類(lèi)通過(guò)電場(chǎng)偵測(cè)獵物，電子領(lǐng)域的電容器中存在穿過(guò)帶電電容極板的電場(chǎng)。只要物體可以看作是電容板，那么都可以成為電場(chǎng)感應(yīng)器的一部分。幾乎所有的物體在其自身的電容和電場(chǎng)改變時(shí)都能夠被感應(yīng)，電場(chǎng)和電容是物體問(wèn)相互作用的固有現(xiàn)象。通過(guò)一個(gè)主動(dòng)電極就能夠產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一個(gè)電場(chǎng)；具有一定介電常數(shù)的物體靠近電容的兩極，通過(guò)感應(yīng)電極就可以測(cè)量到電容的變化。這樣就可以通過(guò)非接觸感應(yīng)技術(shù)測(cè)量物體的三維空間位置變化。
FTeescale公司的電場(chǎng)傳感器MC33794適用于需要對(duì)物體進(jìn)行非接觸感應(yīng)的應(yīng)用。它包含了產(chǎn)生電場(chǎng)所必需的電路，能夠產(chǎn)生低水平電場(chǎng)，測(cè)量由于物體在電場(chǎng)中移動(dòng)造成的電場(chǎng)負(fù)載。MC33794還可用于檢測(cè)與電極相關(guān)的電場(chǎng)中的物體。集成電路可以產(chǎn)生一個(gè)低頻正弦波。其頻率可通過(guò)使用外部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，并優(yōu)化到125kHz。正弦波的諧波含量非常低，可以避免產(chǎn)生諧波干擾。內(nèi)部產(chǎn)生器可以產(chǎn)生5．0V的峰一峰輸出電壓，并通過(guò)大約22Ω的內(nèi)部電阻。MC33794與MCU的連接示意圖如圖1所示。

MC33794可以連接9個(gè)電極和2個(gè)參考電極，通過(guò)一個(gè)屏蔽驅(qū)動(dòng)以減小線(xiàn)纜電容回路對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響。MC33794還帶有+5V的電壓調(diào)節(jié)器，可向外部單片機(jī)系統(tǒng)供電，同時(shí)還提供了一個(gè)燈驅(qū)動(dòng)輸出。

2 游戲控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 組合型方向控制電極設(shè)計(jì)
電場(chǎng)傳感器能夠感知電場(chǎng)中物體在三維空間內(nèi)的移動(dòng)，物體感知原理如圖2所示。當(dāng)手掌進(jìn)入電極產(chǎn)生的電場(chǎng)區(qū)域以后。電極卜的電流會(huì)有相應(yīng)的變化，從而感知手掌距電極的距離。

根據(jù)此物體原理，可以通過(guò)使用MC33794的5個(gè)電極在同一平面內(nèi)組成“十”字組合型方向控制電極，如圖3所示。該組合型方向控制電極可以感知電極上方5個(gè)垂直方向上的物體高度變化，將手掌置于組合電極上即可方便地對(duì)游戲中被控物體的方向進(jìn)行控制。單個(gè)電極選用八角型銅板，面積約為30 cm2(5cm6cm)；整個(gè)“十”字組合型方向控制電極所占面積約為270cm2(15cm18cm)，適合大部分成年人手掌覆蓋在此組合電極區(qū)域。針對(duì)兒童市場(chǎng)，須使用更小尺寸的電極。

在使用時(shí)，1～4號(hào)電極表示游戲中的4個(gè)方向，手掌相對(duì)這些電極的高度表示需要對(duì)這些方向上控制的強(qiáng)度，高度越低，表示需要控制的強(qiáng)度越大；由于在設(shè)計(jì)游戲控制器時(shí)考慮到如果手掌彎曲，那么將出現(xiàn)需要同時(shí)控制相反兩個(gè)方向的情況(這種控制方式在實(shí)際情況中不存在)，因此在1～4號(hào)電極中間加入了5號(hào)電極，以檢測(cè)手掌彎曲狀態(tài)。又因?yàn)槭终撇豢赡鼙３纸^對(duì)水平，因此引入水平誤差系數(shù)ε。該參數(shù)使得控制平面允許有一定的彎曲度。
2．2 前端信號(hào)調(diào)理電路
MC33794輸出端LEVEL是O～3．5V變化的模擬信號(hào)，根據(jù)不同的電極種類(lèi)，輸出的最大值會(huì)略有不同。當(dāng)極板上方無(wú)物體時(shí)，LEVEL輸出最大值；當(dāng)有物體進(jìn)入電極感應(yīng)區(qū)域后，LEVEL輸出電壓將會(huì)降低，最終降至OV。由于MC33794產(chǎn)生的電場(chǎng)為低水平電場(chǎng)，電極較為敏感的區(qū)域在電極上方O～2cm處，而作為游戲控制器使用時(shí)，需要用到的電極敏感區(qū)域?yàn)殡姌O上方2～10cm處，因此在前端信號(hào)調(diào)理部分需要放大此高度區(qū)間內(nèi)的信號(hào)。
圖4為前端信號(hào)調(diào)理電路圖。該電路由2個(gè)工作在反向放大模式下的LM358D運(yùn)算放大器組成。電阻R8的滑動(dòng)端輸出VOFFSET偏置電壓，并輸入到放大器的正輸入端。MC33794的LEVEL信號(hào)接到第一級(jí)LM358D運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，經(jīng)過(guò)放大后，輸出信號(hào)LEVEL_AMP的變化趨勢(shì)與LEVEL信號(hào)一致。

該信號(hào)放大電路輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

通過(guò)調(diào)節(jié)VOFFSET與R7的值，可以對(duì)LEVEL信號(hào)中所感興趣的電壓區(qū)間進(jìn)行放大，同時(shí)還可以控制輸出信號(hào)的幅度范圍。在該設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)LEVEL信號(hào)2．9～3．5V電壓區(qū)間內(nèi)的信號(hào)放大，滿(mǎn)足了被測(cè)物體在電極上方2～10cm變化時(shí)，輸出電壓在0～3．4V變化的靈敏度要求。
2．3 游戲控制器硬件設(shè)計(jì)
游戲控制器的主控MCU選用Silicon Lab公司的C805lF310單片機(jī)。該單片機(jī)集成有采樣頻率為200ksps的10位ADC，外設(shè)有串口及SPI等常用接口。當(dāng)單片機(jī)工作在25MHz時(shí)，速度町達(dá)25MIPS。
本設(shè)計(jì)中，將信號(hào)調(diào)理電路的輸出接到C8051F310的ADC輸入端，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后通過(guò)RS232串口發(fā)送至PC。系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。

將MC33794的A、B、C、D接到C805lF310的I／O口上，通過(guò)軟件控制I／O口輸出，選擇需要采樣的電極。MC33794共9個(gè)電極可以使用，其中E1～E5接控制方向的電極，其余電極用作其他按鍵。
2．4 游戲控制器軟件設(shè)計(jì)
控制器的軟件主要控制選擇電極、采樣、濾波、運(yùn)算，最后將數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串口送回游戲控制中心。軟件的運(yùn)算部分需要將方向控制電極上采集到的三維手掌姿態(tài)信息，變換為二維直角坐標(biāo)平面內(nèi)x軸與y軸上的數(shù)值，供游戲合成方向矢量使用。三維直角坐標(biāo)系內(nèi)，方向控制電極上所采集到的各點(diǎn)的電壓為這些點(diǎn)在z軸上的幅度值，分別表示為zE1、zE2、…、zE5，則在二維直角坐標(biāo)系內(nèi)x軸上的控制力度為△x=zE2-zE4，y軸上的控制力度為△y=zE3-zE1。當(dāng)手掌平面與方向控制電極平面平行時(shí)，△x與△y均為0；當(dāng)手掌平面偏向1號(hào)與4號(hào)電極方向(即以1號(hào)電極為向前方向時(shí)的右前方向)時(shí)，△x與△y均為正值，此時(shí)，在二維直角坐標(biāo)系內(nèi)，合成后的方向矢量將在第一象限中。由于實(shí)際中不存在同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)相反方向控制的情況。因此須事先約定手掌平面不能彎曲，同時(shí)引入水平誤差系數(shù)ε。計(jì)算方向矢量的同時(shí)，各個(gè)變量還須滿(mǎn)足以下2個(gè)公式：

軟件流程如圖6所示。當(dāng)手掌向右前方向傾斜時(shí)，按照?qǐng)D3所示的三維空間直角坐標(biāo)系內(nèi)的電極放置方向，分別對(duì)各個(gè)方向控制電極三維空問(wèn)內(nèi)的坐標(biāo)投影至xz和yz平面，即將2號(hào)與4號(hào)電極的三維坐標(biāo)在xz平面上投影，將1號(hào)與3號(hào)電極的三維坐標(biāo)在yz平面投影。投影后的xz與yz坐標(biāo)如圖7所示。

當(dāng)手掌向右前方向傾斜時(shí)，二維坐標(biāo)平面內(nèi)x軸與y軸上的方向控制分量在坐標(biāo)系內(nèi)合成的方向控制矢量如圖8所示。

合成后的矢量v=△x+i△y，角度值為，模代表該方向上的力度。通過(guò)此向量便可控制游戲中被控物體的方向以及該方向上所需的控制強(qiáng)度。

結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)通過(guò)使用電場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)了模擬游戲控制器，通過(guò)電場(chǎng)傳感器對(duì)三維空間的感知能力，給游戲玩家?guī)?lái)了模擬游戲的全新體驗(yàn)。目前，該游戲控制器已經(jīng)完成全部硬件調(diào)試及軟件測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明．其完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)計(jì)的控制功能，且工作良好。這種通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行控制的方式具有可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、成本較低等特點(diǎn)，同時(shí)還可以應(yīng)用于各種需要控制模擬量的場(chǎng)合(如模型汽車(chē)控制板)，具有廣闊的應(yīng)用前景。