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1、使用電場(chǎng)傳感器MC33794的模擬游戲控 制器 摘要本文通過(guò)使用Freescale公司的電場(chǎng)傳感器MC33794設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新 型的模擬游戲控制器。該游戲控制器使用 C805lF310 作為主控芯片，通過(guò)非接 觸方式感知手掌的姿態(tài)，轉(zhuǎn)換為模擬量控制信息，起到能夠在游戲的各個(gè)方向 上控制力度的作用。關(guān)鍵詞電場(chǎng)傳感囂 MC33794莫擬游戲控制器C805IF310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 摘要 本文通過(guò)使用Freescale公司的電場(chǎng)傳感器MC33794設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新 型的

2、模擬游戲控制器。該游戲控制器使用 C805IF310作為主控芯片，通過(guò)非接 觸方式感知手掌的姿態(tài)，轉(zhuǎn)換為模擬量控制信息，起到能夠在游戲的各個(gè)方向 上控制力度的作用。 關(guān)鍵詞電場(chǎng)傳感囂MC33794模擬游戲控制器C805IF310 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)是人類大腦的擴(kuò)展，那么傳感器就是人類五官的延伸。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

3、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!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。 例如汽車模擬游戲中，通常需要控制游戲中汽車的油門及方向，這 2 個(gè)參數(shù)是 確定汽車行駛的重要參數(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

4、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圍，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)，鯊魚等魚類 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

5、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 22Q的內(nèi)部電

6、阻。MC33794T MCU勺連接示意圖如圖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勺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

7、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 30cmQ5cm&/215;6cm);整個(gè)“十”字組合型方向控制電極所占面積約為 270cm2(15cmK 18cm)，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

8、 (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) ￡。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，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俞出電壓將會(huì)降低，最終降至 0V由于 MC33794^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

9、為電極上方 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VOFFSE偏置電壓，并輸入到 放大器的正輸入端。MC33794I勺LEVEL言號(hào)接到第一級(jí)LM358D!算放大器的負(fù) 輸入端，經(jīng)過(guò)放大后，輸出信號(hào) LEVEL_AM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)VOFFSE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)

10、2. 9?3. 5V電壓區(qū)間內(nèi)的信號(hào)放大，滿足了被測(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C8051F310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勺A、B、C、D接到C805IF310的I /O口上

11、，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-zE

12、4，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)，Ax 與均為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)，Ax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) &。計(jì)算方向矢量的同時(shí)，各個(gè)變量 還須滿足以下 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)D 3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，

13、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=Ax+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 型汽車控制板 ） ，具有廣闊的應(yīng)用前景。