基于LDC1314芯片的電感式旋鈕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賴東鋒 陳麗媚 葉鐵英

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

很多家電產(chǎn)品具有旋鈕操作這種控制方式，比如音箱、風(fēng)扇、微波爐、抽油煙機(jī)、空調(diào)控制器等，在家電產(chǎn)品需要調(diào)節(jié)多個(gè)功能選項(xiàng)或者較大范圍參數(shù)時(shí)，相比按鍵點(diǎn)擊操作，旋鈕旋轉(zhuǎn)操作起來(lái)更加便捷，而且旋鈕操作本身也是一種有趣的、操作感強(qiáng)的人機(jī)交互方式。

目前家電產(chǎn)品的旋鈕大都采用機(jī)械式的旋鈕，旋鈕跟產(chǎn)品主體需要物理上的連接，需要在產(chǎn)品的操作面板上開孔，破壞產(chǎn)品面板的密封性和一體性，導(dǎo)致產(chǎn)品面板不防塵、不防水，而且容易藏污垢，不便產(chǎn)品表面清潔，濕抹布清潔旋鈕周圍時(shí)，還會(huì)容易把抹布中的水?dāng)D進(jìn)旋鈕縫隙進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部引起電路元器件腐蝕，損壞產(chǎn)品。而且機(jī)械式旋鈕使用較長(zhǎng)時(shí)間后，由于長(zhǎng)期物理上的受力、磨損，容易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)異?；蚴У膯?wèn)題。

所以，本文提出了一種基于LDC1314 芯片的電感式旋鈕控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)利用金屬板和電感檢測(cè)線圈之間的磁耦合作用，面積變化的金屬板在線圈上方移動(dòng)時(shí)，金屬板與線圈之間的耦合作用會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響線圈電感量的變化[1]，通過(guò)LDC1314 芯片對(duì)電感量的變化進(jìn)行檢測(cè)，識(shí)別旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度，實(shí)現(xiàn)家電產(chǎn)品的電感式旋鈕控制。

1 電感式旋鈕控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電感式旋鈕控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括兩大部分：旋鈕和產(chǎn)品主體，如圖1 所示。圖1 中的旋鈕PCB 和磁鐵1 屬于旋鈕的一部分，面板、主板PCB、磁鐵2 屬于產(chǎn)品主體中的一部分。旋鈕PCB 和磁鐵1 貼于旋鈕底部，旋鈕PCB、磁鐵1 和旋鈕三者同軸，主板PCB 和磁鐵2 貼于面板背面，旋鈕依靠?jī)蓧K磁鐵的吸力貼合到面板上面，由于旋鈕需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以兩塊磁鐵必須是圓柱形磁鐵。

圖1 電感式旋鈕控制系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)示意圖

旋鈕PCB 上面鋪有特定形狀的銅皮，主板PCB 上面布有電感檢測(cè)線圈，當(dāng)旋鈕旋轉(zhuǎn)時(shí)，特定形狀的銅皮跟線圈產(chǎn)生變化的磁耦合作用，引起線圈電感量的變化。

本系統(tǒng)采用磁吸式的結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要清潔產(chǎn)品面板表面時(shí)，可以很輕松地將旋鈕拿開，清潔完面板后再放回去，非常方便，而且面板不用開孔，利于一體化面板的產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)。

2 電感式旋鈕控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 旋鈕PCB 銅皮設(shè)計(jì)

旋鈕PCB 為圓形，PCB 上的銅皮需設(shè)計(jì)為圖2 所示形狀，在0 ≤θ ＜180 °時(shí)，銅皮的寬度W 與角度θ成正比，在180°≤θ ＜360 °時(shí)，銅皮的寬度W 與角度θ 成反比。

銅皮外圈輪廓離中心點(diǎn)的距離L0與角度θ 關(guān)系為：

銅皮內(nèi)圈輪廓離中心點(diǎn)的距離Li與角度θ 關(guān)系為：

銅皮寬度W= L0- Li。

銅皮外圈輪廓坐標(biāo)x0和y0與角度θ 關(guān)系為：

銅皮內(nèi)圈輪廓坐標(biāo)xi和yi與角度θ 關(guān)系為：

利用PCB 設(shè)計(jì)軟件Altium Designer 對(duì)PCB 進(jìn)行鋪銅，設(shè)計(jì)旋鈕PCB 銅皮，根據(jù)上述公式，計(jì)算出銅皮外圈和內(nèi)圈輪廓在（0 ～359）°時(shí)的坐標(biāo)值，并制作成csv 文件。在Altium Designer 中選擇Polygon Pour（鋪銅），導(dǎo)入外圈輪廓坐標(biāo)值的csv文件，生成外圈輪廓形狀的鋪銅，再選擇Polygon Pour Cutout（鋪銅切割），導(dǎo)入內(nèi)圈輪廓坐標(biāo)值的csv 文件，在外圈輪廓形狀的鋪銅基礎(chǔ)上切割內(nèi)圈輪廓形狀的鋪銅，即剩下圖2 所示的類似月牙形狀的鋪銅。

圖2 旋鈕PCB 銅皮形狀圖

設(shè)計(jì)的中央空調(diào)控制器旋鈕PCB 實(shí)物如圖3 所示。

圖3 中央空調(diào)控制器旋鈕PCB 實(shí)物圖

2.2 電感檢測(cè)線圈設(shè)計(jì)

在主板PCB 上設(shè)計(jì)四個(gè)電感檢測(cè)線圈，旋鈕與面板貼合時(shí)，四個(gè)線圈投影到旋鈕PCB 銅皮上的位置如圖4所示，相鄰的兩個(gè)線圈的中心與旋鈕PCB 中心的連線互相垂直，每個(gè)線圈的中心離旋鈕PCB 的中心距離為r，即旋鈕旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)線圈的中心都在半徑為r 的圓形路徑上移動(dòng)，線圈的半徑等于r - ri。

圖4 線圈投影到旋鈕PCB 銅皮的示意圖

線圈的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，其各種阻抗的匹配和線圈的形狀、尺寸及線圈的匝數(shù)都對(duì)檢測(cè)有很大的影響[2]，為了提高設(shè)計(jì)的精度和可靠性，采用TI 公司提供的WEBENCH? Inductive Sensing Designer Tool 進(jìn)行線圈的設(shè)計(jì)。

在WEBENCH? Inductive Sensing Designer Tool 中，設(shè)定線圈離旋鈕PCB 銅皮的距離、測(cè)量精度、銅皮的最大寬度以及銅皮的材料后，軟件自動(dòng)生成線圈設(shè)計(jì)方案，并且可以在生成的方案中對(duì)線圈直徑、匝數(shù)、PCB 層數(shù)等參數(shù)范圍進(jìn)行調(diào)整，對(duì)方案進(jìn)行篩選，而且可以看到不同方案對(duì)應(yīng)的線圈匝數(shù)、直徑、并聯(lián)電容、串聯(lián)電阻、PCB 層數(shù)等參數(shù)，將線圈的這些參數(shù)輸入WEBENCH? Coil Designer 可以快速輸出線圈的電感、諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)Q 等參數(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用從中選擇出最合適的方案，最終導(dǎo)出PCB 文件[3]。

設(shè)計(jì)的中央空調(diào)控制器電感檢測(cè)線圈PCB 實(shí)物如圖5 所示。

圖5 中央空調(diào)控制器電感檢測(cè)線圈PCB 實(shí)物圖

2.3 電感式旋鈕檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用TI 公司的一款電感數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片LDC1314 對(duì)線圈的電感量變化進(jìn)行檢測(cè)，LDC1314 電路原理圖如圖6 所示，LDC1314 通過(guò)IIC 接口（SCL 和SDA）與主板MCU 通訊，CLK 腳接入8 MHz 的外部時(shí)鐘，為L(zhǎng)DC1314 提供時(shí)鐘源。INTB 腳接到MCU 的中斷腳，當(dāng)LDC1314 的狀態(tài)寄存器產(chǎn)生變化時(shí)，可通過(guò)INTB 腳產(chǎn)生中斷信號(hào)告知主板MCU。SD 腳接到MCU 的GPIO 口，MCU 可以在不需要檢測(cè)旋鈕狀態(tài)時(shí)，通過(guò)控制SD 電平關(guān)停LDC1314，以節(jié)省主板功耗[4]。

圖6 LDC1314 電路原理圖

LDC1314 的四組IN*A 和IN*B（*表示0 ～3）腳分別接到電感檢測(cè)線圈的兩端，如圖7 所示。

圖7 LDC1314 連接線圈示意圖

線圈與并聯(lián)的電容形成LC 并聯(lián)諧振回路，諧振回路的諧振頻率為：

LC 諧振電路產(chǎn)生的交變電流會(huì)形成交變磁場(chǎng)（圖7 中H1），當(dāng)旋鈕貼合到面板上時(shí)，根據(jù)電渦流原理，旋鈕PCB 的銅皮內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電渦流，電渦流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)（圖7 中H2），抵消一部分線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)的反作用,使線圈中電流和相位都發(fā)生變化，也即引起線圈的等效阻抗發(fā)生變化，線圈的電感量也發(fā)生變化[5]。當(dāng)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，銅皮投射到線圈上的面積隨著旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度變化而變化，不同面積的銅皮上形成的電渦流回路的直徑和電流不同[6]，從而形成的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度也不同，進(jìn)而被抵消的線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度也不一樣，導(dǎo)致旋鈕旋轉(zhuǎn)時(shí)線圈的電感量產(chǎn)生變化，進(jìn)一步引起LC諧振回路的諧振頻率的變化。

LDC1314 芯片可以檢測(cè)LC 諧振頻率，并將頻率經(jīng)過(guò)內(nèi)部計(jì)算轉(zhuǎn)換為AD 值[4]，主板MCU 通過(guò)IIC 總線從LDC1314 獲取不同頻率對(duì)應(yīng)的AD 值。

3 電感式旋鈕控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 旋鈕旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算

四個(gè)檢測(cè)線圈分為兩組，如圖8 所示，A1、A2 為一組，B1、B2 為一組。

分別計(jì)算每組中兩個(gè)線圈檢測(cè)到的AD 值的差值，A組的差值等于A1 減去A2 的AD 值，B 組的差值等于B1減去B2 的AD 值。旋鈕PCB 上的銅皮寬度與相位成線性關(guān)系，當(dāng)旋鈕貼合到面板上時(shí)，以圖8 所示的線圈與銅皮所處的相對(duì)位置為0 °相位，旋鈕旋轉(zhuǎn)一周，記錄不同相位時(shí)A、B 組的差值，生成曲線如圖9 所示。

圖8 旋鈕0 °位置示意圖

圖9 A、B 組差值曲線圖

對(duì)兩組差值大小進(jìn)行調(diào)整和偏移，將范圍校準(zhǔn)到[-1，1]之間，經(jīng)過(guò)線性校準(zhǔn)的A、B 組的差值曲線分別跟正弦和余弦曲線匹配，如圖10 所示。

圖10 線性校準(zhǔn)后的A、B 組差值曲線圖

利用反正切函數(shù)計(jì)算旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度θ，計(jì)算公式如下：

3.2 旋鈕旋轉(zhuǎn)檢測(cè)算法

通過(guò)檢測(cè)旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度和方向，即可對(duì)產(chǎn)品的參數(shù)或功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。

主板MCU 每隔50 ms 檢測(cè)一次旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度，第一次檢測(cè)的角度值為θ1，并把θ1賦值給θl，第二次檢測(cè)的角度值為θ2，以此類推，第n 次檢測(cè)的角度值為θn，從第二次檢測(cè)開始，每次檢測(cè)角度后，計(jì)算本次檢測(cè)的角度跟θl的差值。

當(dāng)|θn-θl|＜ A0 時(shí)，θl的值不變。

當(dāng)|θn-θl|＞A1 時(shí)，旋鈕的旋轉(zhuǎn)操作無(wú)效，且將本次檢測(cè)的角度值θn賦值給θl，即θl=θn。

當(dāng)θn＞θl且A1 ≥θn-θl≥A0 時(shí)，識(shí)別為一次正向旋轉(zhuǎn)，被調(diào)節(jié)的參數(shù)加一，且將本次檢測(cè)的角度值θn賦值給θl，即θl=θn；當(dāng)θl＞θn且A1 ≥θl-θn≥A0 時(shí)，識(shí)別為一次反向旋轉(zhuǎn)，被調(diào)節(jié)的參數(shù)減一，且將當(dāng)前檢測(cè)的角度值θn賦值給θl，即θl=θn。

另外，還需要判斷旋鈕的旋轉(zhuǎn)是否經(jīng)過(guò)0°位置，當(dāng)θn＞θl且A1 ≥360 °-(θn-θl) ≥A0 時(shí)，說(shuō)明反向旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)了0 °位置，識(shí)別為一次反向旋轉(zhuǎn)； θl＞θn且A1 ≥360 °-(θl-θn) ≥A0 時(shí)，說(shuō)明正向旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)了0 °位置，識(shí)別為一次正向旋轉(zhuǎn)。

其中A0 和A1 是預(yù)設(shè)值，旋鈕每旋轉(zhuǎn)A0 角度后改變一次參數(shù)值，A1 是一個(gè)較大的角度值，表明在50 ms 時(shí)間內(nèi)旋鈕變化了很大的一個(gè)角度，說(shuō)明不是用戶的正常操作需求，處理為無(wú)效操作，可以避免由于某些異常引起的旋鈕角度值瞬間變化很大引起的誤動(dòng)作。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)，可以根據(jù)旋鈕的大小、被調(diào)參數(shù)的多少確定A0 和A1 的值，讓旋鈕操作達(dá)到適合的靈敏度。旋鈕直徑較小時(shí)，容易一次旋轉(zhuǎn)較大角度，被調(diào)參數(shù)較少，則可以旋轉(zhuǎn)角度較大時(shí)才改變一次參數(shù)，所以旋鈕直徑越小、被調(diào)參數(shù)較少，則可以把A0 和A1 設(shè)為越大，反之亦然。另外還可以通過(guò)改變每次檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度的時(shí)間間隔，調(diào)節(jié)旋鈕旋轉(zhuǎn)的靈敏度。

從θl重新賦值開始，如果經(jīng)過(guò)2 s 后，|θn-θl|＜A0，則將本次檢測(cè)的角度值θn賦值給θl，因?yàn)樵谳^長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)旋鈕都沒(méi)有大于A0 的角度變化，說(shuō)明沒(méi)有人為的旋轉(zhuǎn)操作，此時(shí)需要更新θl值，防止旋鈕由于某些非人為操作的原因出現(xiàn)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)而引起誤動(dòng)作，比如產(chǎn)品工作時(shí)面板振動(dòng)引起旋鈕輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)。

旋鈕旋轉(zhuǎn)檢測(cè)算法流程圖如圖11 所示。

圖11 旋鈕旋轉(zhuǎn)檢測(cè)算法流程圖

因?yàn)殡姼惺叫o旋轉(zhuǎn)角度的檢測(cè)精度可以達(dá)到1 °，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)A0 和A1 的值，滿足不同旋鈕尺寸、參數(shù)范圍的產(chǎn)品應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)精度為1 °的旋轉(zhuǎn)靈敏度調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳的操作手感，還可以應(yīng)用于參數(shù)的無(wú)極調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，在旋鈕直徑為50 cm、需調(diào)參數(shù)為20 個(gè)時(shí)，A0 設(shè)為15 °，A1設(shè)為90 °，操作體驗(yàn)較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

在家電產(chǎn)品中，旋鈕操控是一種不可或缺的人機(jī)交互方式，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式旋鈕，電感式旋鈕具有靈敏度可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、利于產(chǎn)品面板一體化設(shè)計(jì)、可移動(dòng)、易清潔、不易磨損等優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)的電感式旋鈕控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于中央空調(diào)控制器，提供了一種全新的空調(diào)控制體驗(yàn)，在其他家電產(chǎn)品中，亦可采用此電感式旋鈕控制系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的外觀和操作體驗(yàn)升級(jí)，特別是對(duì)于一些控制面板容易臟污需要經(jīng)常清潔的產(chǎn)品，比如抽油煙機(jī)、燃?xì)庠畹取?/p>

另外，電感式旋鈕還可以做一些擴(kuò)展功能的設(shè)計(jì)，比如旋鈕內(nèi)部增加紅外遙控電路和紐扣電池，即可集成遙控功能，當(dāng)旋鈕置于產(chǎn)品面板上時(shí)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制功能，當(dāng)旋鈕從面板上拿下來(lái)時(shí)，實(shí)現(xiàn)遙控操作功能。