【導讀】大多數旋轉用戶(hù)接口中使用的機械電位計和開(kāi)關(guān)都存在壽命短和可靠性低的問(wèn)題，這是由于接口機械磨損和對環(huán)境損害的敏感性導致的。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)勢與特性。
旋鈕被用于各種人機接口應用，從洗衣機上的程序選擇器到汽車(chē)的信息娛樂(lè )系統和導航控制系統，再到烤箱上的溫度控制旋鈕。這些應用通常都采用傳統電位計，或在某些情況下采用機械旋轉開(kāi)關(guān)。這些方法的缺點(diǎn)是使用壽命短。因為電位計的電阻走線(xiàn)或開(kāi)關(guān)上的觸點(diǎn)會(huì )在不斷重復的轉動(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)旋轉周期。而且，由于灰塵或濕氣侵入旋轉軸結構等環(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)現非接觸式傳感的旋轉接口則具有明顯的優(yōu)勢。最重要的一點(diǎn)就是使用壽命更長(cháng)，因為它沒(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(zhù)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新型易用的數字磁性傳感器系列產(chǎn)品，用于替代上述應用中的模擬電位器或旋轉開(kāi)關(guān)。該傳感器可以檢測安裝在旋鈕上的永磁體絕對角位置。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)強度范圍，這使旋鈕和傳感器的機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(lèi)電位計組件示例
MA800系列的核心是MPS專(zhuān)有的角度霍爾傳感技術(shù)SpinAxisTM，該技術(shù)可將機械角度信息轉換為數字格式，而無(wú)需復雜的模數轉換和數學(xué)計算。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)單而獨特的方法實(shí)現了高性能和高效益，即使在價(jià)格敏感的消費類(lèi)應用中，MA800系列也可以與現有的電位計或機械開(kāi)關(guān)解決方案競爭。
MA800系列中有三個(gè)成員：MA800, MA820, 和MA850.
MA800傳感器通過(guò)SPI或SSI接口輸出數字角度讀數，這使它可以輕松連接所有類(lèi)型的微控制器。而且，其數字角度是0到360°機械角度之間具有8位分辨率的絕對值，因此即使重新上電，其位置信息也始終是真實(shí)位置。
MA820具有可調增量式ABZ編碼器接口，它可以提供兩個(gè)正交編碼信號通道（A和B），每通道的脈沖數均可編程為每轉1至最大64。兩個(gè)通道的90°正交間隔還提供了旋轉方向信息。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。零基準可在系統運行期間設置，并存入器件的非易失性存儲器中（見(jiàn)圖3）。
圖3: 正交ABZ波形
MA850提供PWM輸出，可對其進(jìn)行濾波以提供與角度成比例的線(xiàn)性電壓。因此，MA850適用于需要模擬輸出電壓的應用，如改裝為傳統的電位計解決方案。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％的占空比范圍內提供輸出電壓（見(jiàn)圖4）。
對于0至5V的應用，可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的運算放大器電路對R-C網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行緩沖，以實(shí)現更寬的輸出電壓范圍。
圖4: 經(jīng)過(guò)濾波的PWM波形
部分旋轉接口還需要按鈕功能來(lái)實(shí)現程序的選擇。例如，要實(shí)現滾動(dòng)廣播電臺并選中您想收聽(tīng)的電臺，過(guò)去只能增加更多的機械復雜性，通過(guò)接觸開(kāi)關(guān)的形式來(lái)實(shí)現。而MA800系列具有可編程的磁場(chǎng)強度閾值，可檢測磁體到傳感器的距離，并提供專(zhuān)用信號來(lái)指示觸發(fā)閾值的時(shí)間，從而實(shí)現按鈕或拉鈕功能。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離傳感器，即可輕松實(shí)現非接觸式按鈕功能。其閾值設置如表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)現兩個(gè)檢測方向，從而檢測到按或拉的操作。
圖5: 按鈕檢測B (mT)與氣隙之間的關(guān)系
一旦配置參數通過(guò)SPI接口寫(xiě)入寄存器，就會(huì )自動(dòng)存儲在MA800系列器件的非易失性存儲器中。該存儲器存儲的參數包括零角度基準位置、每轉ABZ脈沖設置以及磁場(chǎng)檢測閾值。
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。
結論
MA8xx系列產(chǎn)品獨特的靈活性為設計人員提供了創(chuàng )新的方法，可以提高旋轉接口應用的可靠性，同時(shí)增強功能性以提升最終用戶(hù)體驗。它體積小、效益高，適用于各種消費類(lèi)應用、工業(yè)應用和汽車(chē)應用。
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