觸摸振動反饋模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘" 要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于國產(chǎn)GD32 MCU的觸摸振動反饋模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺采用GD32 MCU通過RS232串口接收觸摸屏的點(diǎn)擊觸摸動作，通過控制微型線性振動電機(jī)的運(yùn)動對觸摸后的手感效果進(jìn)行模擬。同時(shí)，研究PWM頻率、占空比、持續(xù)時(shí)間等不同控制參數(shù)對觸覺反饋模擬效果的影響。教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺具有知識點(diǎn)綜合性好、小型化、實(shí)驗(yàn)效果易于體驗(yàn)，可以用于電工電子類課程的課堂演示實(shí)驗(yàn)、本科課程設(shè)計(jì)、學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：觸摸振動反饋；線性振動電機(jī)；MCU；教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號：TN709" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0045-04

Abstract： A touch vibration feedback simulation teaching platform has been designed and implemented based on the domestic GD32 microcontroller unit（MCU）. This platform utilizes the GD32 MCU to receive touch actions from the touchscreen via the RS232 serial port. By controlling the motion of a miniature linear vibration motor， it simulates the tactile sensation after touch. Additionally， the impact of different control parameters have been investigated， such as PWM frequency， duty cycle， and duration， on the effectiveness of tactile feedback simulation. The teaching platform exhibits good integration of key concepts， compact size， and an easy-to-experience experimental effect. It can be used for classroom demonstration experiments in electrical and electronic courses， undergraduate course design， and student innovation practices.

Keywords： touch vibration feedback; linear vibration motor; MCU; teaching experimental platform; design and implementation

電工電子技術(shù)是一門面向北京航空航天大學(xué)本科非電專業(yè)開設(shè)的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程。每學(xué)年約有來自10個學(xué)院的1 200名學(xué)生參加課程的學(xué)習(xí)。課程教學(xué)內(nèi)容涵蓋了電路分析基礎(chǔ)、電機(jī)與電氣控制、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等諸多內(nèi)容，既有基礎(chǔ)理論的講解，又包括基本工程應(yīng)用技術(shù)。傳統(tǒng)的課堂講授方式都是圍繞知識點(diǎn)展開，與實(shí)際工程應(yīng)用、日常生活場景結(jié)合不夠緊密，學(xué)生往往覺得所學(xué)內(nèi)容抽象、難學(xué)、難懂，而且不知道如何應(yīng)用所學(xué)的工程基礎(chǔ)知識和技能解決實(shí)際問題，難于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的源動力。為了彌補(bǔ)這些不足，在教學(xué)實(shí)踐中也在不斷充實(shí)、補(bǔ)充一些工程應(yīng)用的典型實(shí)例或案例[1]。

特別是伴隨著電子技術(shù)、嵌入式和FPGA技術(shù)的發(fā)展，體積小巧的“口袋實(shí)驗(yàn)室”[2]逐漸被引入教學(xué)，由于這種“口袋實(shí)驗(yàn)室”看得見、摸得著，所以取得了不錯的教學(xué)效果。但是，這類“口袋實(shí)驗(yàn)室”絕大多數(shù)都是針對實(shí)驗(yàn)課教學(xué)[3]，實(shí)現(xiàn)的具體實(shí)驗(yàn)功能和教學(xué)內(nèi)容也還是局限于基礎(chǔ)數(shù)字電路功能的展示和復(fù)現(xiàn)[4]，與工程實(shí)踐和日常生活場景融合度差，而且缺乏綜合性、新穎性和思政元素。

為了解決上述問題，進(jìn)一步提高電工電子技術(shù)課程的課堂教學(xué)效果，提升教學(xué)案例和實(shí)例的質(zhì)量，促成與學(xué)生的積極互動，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于國產(chǎn)GD32 MCU的模仿手機(jī)觸摸振動反饋體驗(yàn)的微小型教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。平臺既可以用于開展電工電子技術(shù)課程課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，又可以用于課程設(shè)計(jì)和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐，具有很好的拓展性。教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺綜合性好，平臺可以綜合演示數(shù)字電路接口、電機(jī)原理、功率放大電路、濾波電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、MCU基礎(chǔ)等電工電子技術(shù)課程中典型的教學(xué)內(nèi)容。

整個實(shí)驗(yàn)平臺采用了嵌入式技術(shù)開發(fā)，體積小、重量輕，便于授課教師攜帶和靈活地開展課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)。同時(shí)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺采用了兆易創(chuàng)新科技集團(tuán)股份有限公司的國產(chǎn)化MCU（GD32E230）進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，這是一款自主設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)的單片機(jī)，在智能儀器、智能家電、工業(yè)控制和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

另外，相比于傳統(tǒng)的工業(yè)控制類案例、家用電器類案例，觸摸振動反饋[5]是近十幾年新興的一門技術(shù)，在人機(jī)交互、工業(yè)控制、消費(fèi)娛樂類電子產(chǎn)品中應(yīng)用日趨廣泛。平臺主旨模擬的觸摸振動反饋源于學(xué)生日常使用的手機(jī)振動功能以及手游的振動反饋，學(xué)生們均有過親身體驗(yàn)，與學(xué)生日常生活貼合非常緊密。這種源于日常生活中常用電子產(chǎn)品的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，易于激發(fā)學(xué)生的探究意識和自主學(xué)習(xí)的動力。

1" 總體組成與工作原理

教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺組成如圖1所示，以觸控屏（4.3英寸）作為人機(jī)交互的設(shè)備，在觸控屏背面安裝有線性振動電機(jī)和驅(qū)動板。同時(shí)，觸控屏運(yùn)行用戶交互界面，可以顯示按鈕、滾輪等圖形化交互元素。當(dāng)用戶手持觸控屏并點(diǎn)擊屏幕按鈕或拖動滾輪后，觸控屏便會將點(diǎn)擊動作信息通過RS232串口發(fā)送給MCU控制板。MCU控制板通過RS232串口接收數(shù)據(jù)，并按照預(yù)先指定的通信協(xié)議識別動作類型，而后發(fā)出對應(yīng)模式的PWM控制信號給線性振動電機(jī)和驅(qū)動板，進(jìn)而由功率驅(qū)動模塊控制線性振動電機(jī)產(chǎn)生振動動作。此時(shí)，用戶手部便會感受到點(diǎn)擊屏幕按鈕或拖動滾輪后實(shí)驗(yàn)平臺給出的模擬振動反饋。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，觸控屏背面依次安裝有線性振動電機(jī)和驅(qū)動板、MCU控制板，總體尺寸寬度120 mm，深度80 mm，高度35 mm。采用這種疊層安裝的方式，可以使得結(jié)構(gòu)緊湊、體積尺寸小巧，非常便于隨身攜帶以及在課堂教學(xué)中使用。

2" MCU選型

MCU是振動反饋模擬的控制中心，各種不同振動反饋模式底層均是通過MCU編程控制發(fā)出不同模式的PWM信號來實(shí)現(xiàn)的。MCU的選型要從工程實(shí)現(xiàn)角度考慮技術(shù)先進(jìn)性和性價(jià)比，更為重要的是選型還要綜合考慮與電工電子技術(shù)課程知識點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性和貼合度，易于學(xué)生理解和學(xué)習(xí)。

綜合以上考慮因素，教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺使用的MCU選用了兆易創(chuàng)新科技集團(tuán)股份有限公司的國產(chǎn)化ARM Cortex-M23系列MCU，具體型號為GD32E230K8T6。該型號產(chǎn)品為國產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)，采用110 nm工藝生產(chǎn)MCU。該型號MCU最大主頻72 MHz，采用LQPF-32封裝，程序 FLASH容量64 kB，RAM容量8 kB，GPIO最大端口數(shù)量25個，最多10個12 bit ADC外部采集通道，更為重要的還包括1個16 bit PWM專用通道。

GD32E230K8T6是入門級的MCU，管腳數(shù)相對較少、功能復(fù)雜度低，作為實(shí)例易于引入開展教學(xué)。例如：GD32E230K8T6中GPIO結(jié)構(gòu)原理可用于電工電子技術(shù)課程門電路及接口、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器、AD/DA原理、微處理等知識點(diǎn)的教學(xué)案例；PWM通道可用于功率放大電路知識點(diǎn)的教學(xué)案例；時(shí)鐘電路部分可用于自激振蕩電路原理的教學(xué)案例等。另外，在半導(dǎo)體器件制造工藝、晶體三極管、絕緣柵場效應(yīng)管等知識點(diǎn)講解中也可以作為教學(xué)實(shí)例。

3" 線性振動電機(jī)

傳統(tǒng)的觸摸振動效果通常是電機(jī)帶動偏心軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的效果[6]。區(qū)別于這種旋轉(zhuǎn)離心方式產(chǎn)生振動，實(shí)驗(yàn)平臺選用了微型線性振動電機(jī)產(chǎn)生振動效果。這種線性振動電機(jī)的典型代表是在蘋果手機(jī)中廣泛應(yīng)用的Taptic Engine。線性振動電機(jī)不僅可以產(chǎn)生振動，還能較為精確地控制振動的振幅和頻率，從而產(chǎn)生強(qiáng)弱分明且十分安靜的振動效果，觸摸反饋也會更加靈敏。平臺中選了拆解下來的Taptic Engine線性振動電機(jī)，本體長度34 mm，厚度2.6 mm，寬度10 mm，重量4.6 g。

線性振動電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。線性振動電機(jī)采用了平面電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，相當(dāng)于將傳統(tǒng)電機(jī)沿徑向展開后再平鋪。線圈通電后產(chǎn)生磁場，吸引永磁體克服彈簧力橫向運(yùn)動；線圈斷電后永磁體在彈簧力的作用下復(fù)位。如此周期反復(fù)給線圈通電、斷電，便可以產(chǎn)生振動效果。這種工作原理可以引入電工電子技術(shù)課堂教學(xué)，作為課程中電機(jī)與電氣控制知識點(diǎn)教學(xué)中的一個拓展案例和討論的實(shí)例，使學(xué)生開闊視野接觸到最先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)而有效激發(fā)、啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維。

4" 功率驅(qū)動模塊

功率驅(qū)動模塊主要用于接收MCU發(fā)出的PWM信號[7]，進(jìn)行二次功率放大之后再驅(qū)動線性振動電機(jī)產(chǎn)生振動。此部分涉及的技術(shù)和電工電子技術(shù)課程中低頻功率放大電路部分的教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)。在教學(xué)中，可以此部分為應(yīng)用背景進(jìn)行課堂討論或布置為課后的擴(kuò)展作業(yè)，讓學(xué)生自主查閱資料設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)這部分的電路功能。

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺中選用了D類功放[8]芯片AP3016D構(gòu)建了功率驅(qū)動模塊，其與線性振動電機(jī)近距離安裝構(gòu)成了如圖4所示的線性振動電機(jī)和驅(qū)動板。AP3016D為PWM調(diào)制的D類功放，輸入阻抗1 kΩ供電電壓8～24 V，驅(qū)動電流最大2 A。

5" 振動控制參數(shù)

MCU程序可以通過PWM信號的頻率f、占空比D、持續(xù)時(shí)間t來控制線性振動電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，從而模擬出不同的振動反饋效果。為了更為便捷地研究這3個參數(shù)的具體影響效果，觸控屏中開發(fā)運(yùn)行了交互測試程序，該程序界面如圖5所示。界面中下部布置了3個滑動條，分別對應(yīng)PWM信號的占空比D、持續(xù)時(shí)間t、頻率f、。當(dāng)手動拖動滑動條改變位置時(shí)，即可通過RS232串口下發(fā)給MCU，MCU再通過換算公式得到改變PWM信號發(fā)送時(shí)這3個參數(shù)的具體數(shù)值，然后通過程序給線性振動電機(jī)和驅(qū)動板發(fā)送對應(yīng)的PWM信號，以此產(chǎn)生振動反饋。用戶手持平臺，感受振動反饋效果，做出評價(jià)。

選取3個參數(shù)在實(shí)驗(yàn)中的可變化范圍為：頻率f從10 Hz至500 Hz， 占空比D從5%至95%，持續(xù)時(shí)間t從0.05 s至3 s。當(dāng)持續(xù)時(shí)間t為1 s時(shí)，頻率與占空比對振動反饋效果的影響見表1。

從實(shí)驗(yàn)中可以看出，一定頻率范圍內(nèi)（5～100 Hz）振動反饋的效果較好，脈沖振動清晰、手感跳動明顯，振動反饋的人體感受和PWM信號頻率有一定的相關(guān)性。PWM信號頻率越低更易獲得脈沖振動的反饋體驗(yàn)，PWM信號頻率越高更易獲得連續(xù)脈沖振動的反饋體驗(yàn)。

對于占空比D，則發(fā)現(xiàn)其對人體振動效果的影響不太顯著，低頻情況下增大占空比會獲得更強(qiáng)烈一些的振動反饋，但是脈沖振動的清晰度下降，人體綜合體驗(yàn)一般。因此，推薦采用占空比小一些（lt;50%）的PWM信號進(jìn)行振動控制。

關(guān)于持續(xù)時(shí)間t，持續(xù)時(shí)間小于0.1 s的刺激被體驗(yàn)者視為敲擊或戳擊，而持續(xù)時(shí)間較長的刺激與漸強(qiáng)漸弱變節(jié)湊相結(jié)合時(shí)，則可能被視為流暢的觸覺表達(dá)效果[9]。事實(shí)上，有文獻(xiàn)指出驅(qū)動信號的振幅、頻率、包絡(luò)和節(jié)奏都是觸覺效果設(shè)計(jì)的有用變量，其中節(jié)奏影響最為顯著[10]。

實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了一種PWM脈沖串時(shí)間間隔遞減的變節(jié)奏控制方法（如圖6所示，Δt1gt;Δt2）。

每次發(fā)出3組PWM脈沖串，2組PWM脈沖串之間的時(shí)間間隔逐漸遞減。從實(shí)驗(yàn)測試體驗(yàn)來看，采用這種變節(jié)奏控制方法獲得了更具交互感與差異性的振動反饋體驗(yàn)。因此，在實(shí)驗(yàn)平臺教學(xué)應(yīng)用中，可以將這個具體實(shí)驗(yàn)作為一個工程創(chuàng)新的具體案例，以此為牽引向?qū)W生講授具體創(chuàng)新的方法和手段，啟發(fā)和激勵學(xué)生開發(fā)更多模式的變節(jié)奏控制方法，獲得更為豐富、更具個性化的振動反饋體驗(yàn)。這對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新方法具有重要的作用和意義。

6" 結(jié)束語

基于GD32 MCU的觸摸振動反饋模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺技術(shù)先進(jìn)性好、便攜性好、拓展性強(qiáng)，更為重要的是平臺融入了諸多教學(xué)元素，與電工電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容貼合度高，與學(xué)生的工程素質(zhì)培養(yǎng)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)關(guān)聯(lián)度高。因此，教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺非常適用于課堂演示實(shí)驗(yàn)、各類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)。

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