使用電場傳感器MC33794的模擬游戲控制器

引 言
傳感器技術是測量技術、半導體技術和信息處理技術等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集的前沿技術之一，也是當代科學技術發(fā)展的一個重要標志。如果說計算機是人類大腦的擴展，那么傳感器就是人類五官的延伸。隨著傳感器技術的發(fā)展，人機接口的種類越來越豐富，從早期最簡單的機械式按鈕、電位器旋鈕到現(xiàn)在的電容式觸摸感應、電場非接觸傳感、人臉識別及語音識別等，人機接口的智能性、易用性及可靠性也顯著提高。本文通過使用Freescale公司的MC33794電場傳感器，設計了一種新型的模擬游戲控制器。該模擬游戲控制器通過電場傳感器的電極，非接觸感知手掌的姿態(tài)，從而控制模擬游戲中各個方向上的力度，實現(xiàn)對“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，不能感知這些強度連續(xù)變化的模擬量。在本設計中，將手掌放置于模擬游戲控制器電極上方，控制時只須變化手掌相對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度轉化為對游戲的控制強度，輸出到游戲控制中心，實現(xiàn)對游戲中被控物體的控制功能。

1 電場傳感器MC33794
電場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。電場普遍存在于自然界中，物體的摩擦會轉移電荷產生電場，鯊魚等魚類通過電場偵測獵物，電子領域的電容器中存在穿過帶電電容極板的電場。只要物體可以看作是電容板，那么都可以成為電場感應器的一部分。幾乎所有的物體在其自身的電容和電場改變時都能夠被感應，電場和電容是物體問相互作用的固有現(xiàn)象。通過一個主動電極就能夠產生和調節(jié)一個電場；具有一定介電常數(shù)的物體靠近電容的兩極，通過感應電極就可以測量到電容的變化。這樣就可以通過非接觸感應技術測量物體的三維空間位置變化。
FTeescale公司的電場傳感器MC33794適用于需要對物體進行非接觸感應的應用。它包含了產生電場所必需的電路，能夠產生低水平電場，測量由于物體在電場中移動造成的電場負載。MC33794還可用于檢測與電極相關的電場中的物體。集成電路可以產生一個低頻正弦波。其頻率可通過使用外部電阻進行調節(jié)，并優(yōu)化到125kHz。正弦波的諧波含量非常低，可以避免產生諧波干擾。內部產生器可以產生5．0V的峰一峰輸出電壓，并通過大約22Ω的內部電阻。MC33794與MCU的連接示意圖如圖1所示。

MC33794可以連接9個電極和2個參考電極，通過一個屏蔽驅動以減小線纜電容回路對測量產生的影響。MC33794還帶有+5V的電壓調節(jié)器，可向外部單片機系統(tǒng)供電，同時還提供了一個燈驅動輸出。

2 游戲控制器系統(tǒng)設計
2.1 組合型方向控制電極設計
電場傳感器能夠感知電場中物體在三維空間內的移動，物體感知原理如圖2所示。當手掌進入電極產生的電場區(qū)域以后。電極卜的電流會有相應的變化，從而感知手掌距電極的距離。

根據(jù)此物體原理，可以通過使用MC33794的5個電極在同一平面內組成“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游戲中被控物體的方向進行控制。單個電極選用八角型銅板，面積約為30 cm2(5cm6cm)；整個“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。針對兒童市場，須使用更小尺寸的電極。

在使用時，1～4號電極表示游戲中的4個方向，手掌相對這些電極的高度表示需要對這些方向上控制的強度，高度越低，表示需要控制的強度越大；由于在設計游戲控制器時考慮到如果手掌彎曲，那么將出現(xiàn)需要同時控制相反兩個方向的情況(這種控制方式在實際情況中不存在)，因此在1～4號電極中間加入了5號電極，以檢測手掌彎曲狀態(tài)。又因為手掌不可能保持絕對水平，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 前端信號調理電路
MC33794輸出端LEVEL是O～3．5V變化的模擬信號，根據(jù)不同的電極種類，輸出的最大值會略有不同。當極板上方無物體時，LEVEL輸出最大值；當有物體進入電極感應區(qū)域后，LEVEL輸出電壓將會降低，最終降至OV。由于MC33794產生的電場為低水平電場，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，需要用到的電極敏感區(qū)域為電極上方2～10cm處，因此在前端信號調理部分需要放大此高度區(qū)間內的信號。
圖4為前端信號調理電路圖。該電路由2個工作在反向放大模式下的LM358D運算放大器組成。電阻R8的滑動端輸出VOFFSET偏置電壓，并輸入到放大器的正輸入端。MC33794的LEVEL信號接到第一級LM358D運算放大器的負輸入端，經過放大后，輸出信號LEVEL_AMP的變化趨勢與LEVEL信號一致。

該信號放大電路輸出電壓與輸入電壓的關系為：

通過調節(jié)VOFFSET與R7的值，可以對LEVEL信號中所感興趣的電壓區(qū)間進行放大，同時還可以控制輸出信號的幅度范圍。在該設計中，通過對LEVEL信號2．9～3．5V電壓區(qū)間內的信號放大，滿足了被測物體在電極上方2～10cm變化時，輸出電壓在0～3．4V變化的靈敏度要求。
2．3 游戲控制器硬件設計
游戲控制器的主控MCU選用Silicon Lab公司的C805lF310單片機。該單片機集成有采樣頻率為200ksps的10位ADC，外設有串口及SPI等常用接口。當單片機工作在25MHz時，速度町達25MIPS。
本設計中，將信號調理電路的輸出接到C8051F310的ADC輸入端，數(shù)據(jù)經過計算后通過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，通過軟件控制I／O口輸出，選擇需要采樣的電極。MC33794共9個電極可以使用，其中E1～E5接控制方向的電極，其余電極用作其他按鍵。
2．4 游戲控制器軟件設計
控制器的軟件主要控制選擇電極、采樣、濾波、運算，最后將數(shù)據(jù)通過RS-232串口送回游戲控制中心。軟件的運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平面內x軸與y軸上的數(shù)值，供游戲合成方向矢量使用。三維直角坐標系內，方向控制電極上所采集到的各點的電壓為這些點在z軸上的幅度值，分別表示為zE1、zE2、…、zE5，則在二維直角坐標系內x軸上的控制力度為△x=zE2-zE4，y軸上的控制力度為△y=zE3-zE1。當手掌平面與方向控制電極平面平行時，△x與△y均為0；當手掌平面偏向1號與4號電極方向(即以1號電極為向前方向時的右前方向)時，△x與△y均為正值，此時，在二維直角坐標系內，合成后的方向矢量將在第一象限中。由于實際中不存在同時進行兩個相反方向控制的情況。因此須事先約定手掌平面不能彎曲，同時引入水平誤差系數(shù)ε。計算方向矢量的同時，各個變量還須滿足以下2個公式：

軟件流程如圖6所示。當手掌向右前方向傾斜時，按照圖3所示的三維空間直角坐標系內的電極放置方向，分別對各個方向控制電極三維空問內的坐標投影至xz和yz平面，即將2號與4號電極的三維坐標在xz平面上投影，將1號與3號電極的三維坐標在yz平面投影。投影后的xz與yz坐標如圖7所示。

當手掌向右前方向傾斜時，二維坐標平面內x軸與y軸上的方向控制分量在坐標系內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度。

結語
本設計通過使用電場傳感器實現(xiàn)了模擬游戲控制器，通過電場傳感器對三維空間的感知能力，給游戲玩家?guī)砹四M游戲的全新體驗。目前，該游戲控制器已經完成全部硬件調試及軟件測試。試驗結果表明．其完全實現(xiàn)了預計的控制功能，且工作良好。這種通過電場進行控制的方式具有可靠性高、使用壽命長、成本較低等特點，同時還可以應用于各種需要控制模擬量的場合(如模型汽車控制板)，具有廣闊的應用前景。