【導讀】大多數(shù)旋轉用戶接口中使用的機械電位計和開關都存在壽命短和可靠性低的問題，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的信息娛樂系統(tǒng)和導航控制系統(tǒng)，再到烤箱上的溫度控制旋鈕。這些應用通常都采用傳統(tǒng)電位計，或在某些情況下采用機械旋轉開關。這些方法的缺點是使用壽命短。因為電位計的電阻走線或開關上的觸點會在不斷重復的轉動中磨損，使這種解決方案的壽命通常僅限于大約十萬個旋轉周期。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現(xiàn)非接觸式傳感的旋轉接口則具有明顯的優(yōu)勢。最重要的一點就是使用壽命更長，因為它沒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(shù)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關。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電位計組件示例
MA800系列的核心是MPS專有的角度霍爾傳感技術SpinAxisTM，該技術可將機械角度信息轉換為數(shù)字格式，而無需復雜的模數(shù)轉換和數(shù)學計算。傳感器功能框圖如圖2所示。
圖2: 傳感器功能框圖
這種簡單而獨特的方法實現(xiàn)了高性能和高效益，即使在價格敏感的消費類應用中，MA800系列也可以與現(xiàn)有的電位計或機械開關解決方案競爭。
MA800系列中有三個成員：MA800, MA820, 和MA850.
MA800傳感器通過SPI或SSI接口輸出數(shù)字角度讀數(shù)，這使它可以輕松連接所有類型的微控制器。而且，其數(shù)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位置。
MA820具有可調增量式ABZ編碼器接口，它可以提供兩個正交編碼信號通道（A和B），每通道的脈沖數(shù)均可編程為每轉1至最大64。兩個通道的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(tǒng)運行期間設置，并存入器件的非易失性存儲器中（見圖3）。
圖3: 正交ABZ波形
MA850提供PWM輸出，可對其進行濾波以提供與角度成比例的線性電壓。因此，MA850適用于需要模擬輸出電壓的應用，如改裝為傳統(tǒng)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R-C網(wǎng)絡，可在3.3V電源和10-90％的占空比范圍內(nèi)提供輸出電壓（見圖4）。
對于0至5V的應用，可以通過一個簡單的運算放大器電路對R-C網(wǎng)絡進行緩沖，以實現(xiàn)更寬的輸出電壓范圍。
圖4: 經(jīng)過濾波的PWM波形
部分旋轉接口還需要按鈕功能來實現(xiàn)程序的選擇。例如，要實現(xiàn)滾動廣播電臺并選中您想收聽的電臺，過去只能增加更多的機械復雜性，通過接觸開關的形式來實現(xiàn)。而MA800系列具有可編程的磁場強度閾值，可檢測磁體到傳感器的距離，并提供專用信號來指示觸發(fā)閾值的時間，從而實現(xiàn)按鈕或拉鈕功能。然后，通過旋鈕上簡單的彈簧作用使磁體更靠近或更遠離傳感器，即可輕松實現(xiàn)非接觸式按鈕功能。其閾值設置如表1所示。
表1: 磁場閾值
通過可編程的MAGHIGH和MAGLOW閾值可以實現(xiàn)兩個檢測方向，從而檢測到按或拉的操作。
圖5: 按鈕檢測B (mT)與氣隙之間的關系
一旦配置參數(shù)通過SPI接口寫入寄存器，就會自動存儲在MA800系列器件的非易失性存儲器中。該存儲器存儲的參數(shù)包括零角度基準位置、每轉ABZ脈沖設置以及磁場檢測閾值。
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，同時增強功能性以提升最終用戶體驗。它體積小、效益高，適用于各種消費類應用、工業(yè)應用和汽車應用。
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