【导读】一直以来，旋转拨盘被广泛应用于各种人机界面 (HMI) 应用中。从汽车、白色家电，再到手机触摸屏，各种日用设备的触摸界面中都包括了按钮、旋钮和拨盘功能。这些功能不仅将人类输入转化为电信号，而且还提供了一项重要的功能——触觉反馈。这种功能对时间敏感情况下的安全相关功能尤其有用，例如当用户在黑暗的驾驶舱移动舱内部时，或者调节医用泵的流量时（见图 1），按钮应该要很容易通过触摸来定位，而无需额外的视觉识别。
图 1：汽车内部的控制台和方向盘控制
然而，新设计不断推陈出新，解决方案也更加新颖以适应新的外形要求、提供越来越多的功能，并延长 HMI 的使用寿命。传统的按钮和旋转拨盘此时成为了一个限制因素。因为它们体积很大，从按钮到 PCB 上的焊点之间又具有刚性耦合，而且触点的布局也导致了特定、有限的使用寿命。
例如，许多白色家电的面板上都有一个看似简单的单按钮界面。整台机器（包括旋钮）在数小时的运行中都会受到振动、温度波动和湿度的影响。这种恶劣的环境会对旋钮的使用寿命产生不利影响，而按钮的轴也为湿气侵入其他控制电子设备提供了通道。缓解这些问题可能代价高昂。
将现代磁传感器用于 HMI 应用可以极大地降低总设计成本，同时还能提高可靠性和机械设计的灵活性。本文将深入介绍了这种优化HMI 应用的基本思想和设计注意事项。
利用简单且经济高效的传感原理
集成霍尔效应的磁角度传感器能够检测磁场的旋转。例如，一个旋转部件连接了小型指示磁铁的传感器就可以实现功能完全的非接触式旋钮。只需将磁角度传感器与磁铁的旋转轴对齐，即可通过磁铁旋转来感应旋钮的实际旋转位置。这种传感器无需在电子设备和触觉转子（例如雨刷电位器）之间建立机械连接即可运行。使用磁传感器可实现简单且高度可靠的设计，而且使用寿命极长。
图 2 显示了一个用MA800 实现的旋钮，MA800 是MPS提供的一款用于改善HMI 应用的磁传感器。它采用 MPS 专有的 SpinAxis™ 技术，能够实现小尺寸、高性价比的角度传感器。
图 2：带磁感应的旋钮横截面
整个磁传感器对只需占用很小的体积，它留出了足够的空间，以通过轴承、棘爪或光导来定制旋钮的触觉或视觉外观。如图 2 中的配置，其占位面积小于 5mmx5mm，只占电位器产品尺寸的一小部分。电位器沿单边测量通常为10mm。
可靠性设计并满足制造公差
磁传感器因其非接触式原理而异常可靠。这与传统的滑环电位器形成鲜明对比。滑环电位器因接触性而备受诟病，其典型使用寿命大约为 250,000 次循环。不过，磁传感器在某些方面也受到一些限制并产生失真，需要想办法避免。
第一个潜在的失真源是传感器相对于旋转轴的横向位移。这些位移可能由于不精确的生产过程造成，也可能由于设备在使用过程中的磨损造成。它会导致磁场的非线性，并被传感器拾取。
例如，采用图 2中的设置，失配低于 0.5° 意味着横向公差为 ±0.2mm，完全在典型制造公差范围之内。如果出于某种原因需要更大的公差，则可以采用更大的磁体直径或环形磁体来实现稳健的设计。例如，将磁体直径从 5mm 增加到 8mm 可以将横向公差提高到 ±0.4mm。
磁体尺寸对于处理磁体和传感器之间的气隙变化至关重要。关键在于，这种变化的偏差不能使传感器位置的磁通量密度超出其要求的条件。如图 2所示，气隙可以在 0.0毫米和 3.1 毫米之间变化而不会超出 MA800 的规格。通过在气隙与磁体尺寸之间进行权衡，能够提供机械设计的灵活性，从而满足制造公差的要求。例如，较宽的目标磁体允许更大的气隙。
请注意，在本文中，所有磁性分析均利用了现有公开的磁模拟工具。该模拟工具允许设计人员快速检查特定的磁配置，并对公差或未对准产生的影响进行深入调查。
按钮
除了旋转功能以外，有些HMI 应用还需要按钮功能。MA800可以在气隙变化引起磁场强度变化时，检测到按钮事件。图 3 显示了按钮和旋钮组合的典型应用。
图 3：具有按钮功能的旋钮横截面
图 4 显示了与磁体和传感器之间的距离相关的磁场梯度，以及单阈值和双阈值之间的差异（下面将对此进行详细描述）。1mm的轴向位移、1.5mm的标称气隙和0.5mm气隙的按压位置产生60mT的场强差。MA800 具有可调节的磁阈值，可为系统控制器提供不同的输出信号，以安全地标记这种变化。
图 4：MA800 的按钮功能实现
这种非接触式过程利用了无损检测原理。其关键在于，确保这种机制的寿命变化不会降低传感的可靠性。图 4 叠加显示了 MA800 的检测阈值，以及在典型配置下场强曲线顶部的相关磁滞间隔。标称磁性设置的设计要点是，确保两个端点阈值都与磁开关阈值有足够的距离，以确保随着时间的推移可能积聚的外来颗粒不会阻碍机械部件行进到不超过开关阈值的点。
当沿轴向行进的磁场差值大到足以安全地通过多个开关阈值时，建议采用不同的阈值来检测高场强和低场强。图 4 显示了这种双阈值配置的示意图。双阈值为整个应用添加了安全功能，它可以检测机械故障，防止按钮卡在中间位置。
在选择非接触式感应机制（从而避免旋钮和按钮的接触问题）时，按压机制成为最大的限制因素。图 3 还表明了一个原理，轴向定位的点击磁铁会吸引轴上的钢环。这两者之间的磁力为轴向行程创建了一个阈值，通过材料常数和涂层可以轻松调节该阈值。而且，它在整个生命周期内都不存在磨损。
选择紧凑的低功耗解决方案
MPS 还提供了适用于低功耗电池供电应用的MA782。其磁性设计原则与 MA800 相同。 这款传感器的刷新率可配置，而且可以将传感器的平均电流消耗降至10µA 以下。
此外，MA782 还提供一个专用信号，用于指示运动何时超过特定的角度阈值。拥有这种监视器，角度传感器可以用作整个系统的唤醒触发器，它可以让微控制器 (MCU) 和显示屏保持在睡眠模式，从而节省大量的电池电量。
再加上MA782 采用的 UTQFN-14 (2mmx2mm) 封装，它同时实现了超低功耗感应和超小尺寸。这种组合优势在新兴应用中可以发挥重要作用，例如家庭无线恒温器或折叠手机中的铰链控制（参见图 5）。
图 5：采用 MA782 作为传感器和监视器的折叠手机铰链
凭借着小尺寸和低功耗，这些传感器非常适合那些在旋转轴或铰链末端没有空间放置传感器（和 PCB）的应用，可以满足其严格的设计要求。MA782 等器件通过特殊的补偿感应远离旋转轴的磁场，并精确恢复了机械角度和传感器输出之间的线性关系。
结论
为了使用磁传感器实现 HMI 拨盘和按钮功能，设计解决方案时需要考虑各种问题，例如触觉元件的机械装置与电子设备之间的去耦，同时要为周围的机械装置留出足够的空间。本文为设计高性价比的非接触式 HMI 解决方案提供了简单的设计指南，该方案拥有无可比拟的使用寿命和低功耗。
来源：MPS
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