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電容式感測(cè)技術(shù)在電玩游戲控制電路中的應(yīng)用

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1127次  |  2020年04月03日  

電玩游戲應(yīng)用擁有多項(xiàng)技術(shù)層級(jí),尤其是在軟件方面,然而游戲本身的才是主角。


繪圖與處理速度能限制或展現(xiàn)游戲中軟件的開(kāi)發(fā)狀況,因此最容易受到消費(fèi)者和評(píng)論家關(guān)注。而主機(jī)控制器(consolecontroller)也相同非常重要。電玩控制器的接口方式不斷推陳出新,目的就是為了能與屏幕上所顯示出來(lái)的場(chǎng)景進(jìn)行更有效的互動(dòng)。


雖然多數(shù)電玩游戲的開(kāi)發(fā)都著重在軟件和處理器上,但許多重大的創(chuàng)意和前瞻想法都與控制器相關(guān)。由于游戲系統(tǒng)及外圍廠商努力改善玩家與其系統(tǒng)互動(dòng)的方式,因此無(wú)論是在人體工學(xué)、風(fēng)格、功能、或是特色等方面都不斷地在開(kāi)發(fā)改進(jìn)。


尋找新的典范


我們可能都還記得具備四方形底座的Atari最早期控制器,其中央有一根游戲桿,旁邊還有一顆按鍵的設(shè)計(jì)關(guān)于當(dāng)時(shí)的電玩游戲而言已相當(dāng)足夠。因?yàn)楫?dāng)時(shí)所要的只有基本的方向控制和一個(gè)選擇按鍵,就可以進(jìn)行游戲,而這個(gè)控制器則完全符合所需。任天堂后來(lái)發(fā)表了四方形控制器的任天堂娛樂(lè)系統(tǒng)(NintendoEntertainmentSystem),其中方向按鍵取代了游戲桿,而且還新增第二顆按鍵,這是以現(xiàn)有技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的重大改變。


從那時(shí)開(kāi)始,控制器就開(kāi)始變得越來(lái)越復(fù)雜。現(xiàn)在,標(biāo)準(zhǔn)的游樂(lè)器主機(jī)控制器上具備比以往更多的按鍵,而且每個(gè)按鍵都擁有更強(qiáng)大的功能。具備壓力感應(yīng)間斷作用的按鍵讓其觸發(fā)作用獲得更好的控制,尤其關(guān)于駕駛類電玩游戲中的煞車與加速控制特別有用。


而按鍵組合在格斗游戲中也電容對(duì)電壓轉(zhuǎn)換器乃是利用切換式電容器技術(shù)。震動(dòng)功能(rumble-packs)則讓玩家能體驗(yàn)真實(shí)感覺(jué),而不再只是聲光效果而已。由于游戲桿具備的卓越模擬功能性,讓其在最新的控制器上重現(xiàn)生機(jī)。電容式感測(cè)技術(shù)(電容式觸控感應(yīng))是最新的接口技術(shù),能提高游戲控制器的可用性,以及最炫的機(jī)械設(shè)計(jì)。


電容式感測(cè)技術(shù)概觀


電容式感測(cè)最常用于個(gè)人計(jì)算機(jī)觸控板與可攜式媒體播放器上。手機(jī)制造商也開(kāi)始投入資金來(lái)推廣其用途,并已開(kāi)發(fā)出數(shù)種機(jī)型銷售上市。簡(jiǎn)單的架構(gòu)、裝置防水性及堅(jiān)固的機(jī)械式設(shè)計(jì)等都是電容式感測(cè)接口極具吸引力的特性。


方法


要達(dá)到電容式感測(cè)效果有好幾種方式,但基本的要素卻固定不變。其中,電容式傳感器不過(guò)是在印刷電路板中連接至控制器電路上的銅片(pad)。感測(cè)按鍵與其連接導(dǎo)線的組合會(huì)在其周圍產(chǎn)生電容。


設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的接地面、金屬支撐裝置、還有其它電子與機(jī)械組件都會(huì)影響傳感器的電容值。一般認(rèn)為傳感器電容值等同于它與接地面之間的電容值。當(dāng)具有導(dǎo)電性的觸發(fā)物質(zhì)(例如手指)靠近傳感器到一定程度時(shí),該電容值就會(huì)新增。這是因?yàn)閷?dǎo)體本身會(huì)在傳感器與接地面之間產(chǎn)生更多可能的路徑,愈多的路徑則會(huì)產(chǎn)生愈多的場(chǎng)線,這樣一來(lái)就會(huì)提高整個(gè)電容值。


在電容式傳感器的前端是由切換式電容器(switchedcapacitors)、內(nèi)部電流源或是具有外部電阻器的電壓源所組成。這些方法都是為了要在感測(cè)電容器上輸入電壓值。而該電壓值可透過(guò)ADC、或由比較器所構(gòu)成的充電時(shí)間量測(cè)電路之處理,然后到達(dá)計(jì)數(shù)器或按時(shí)器。數(shù)字輸出值被電容式感測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和決定(decision-making)所使用時(shí),則會(huì)在ADC輸出值中產(chǎn)生轉(zhuǎn)變或在電容質(zhì)中的計(jì)數(shù)值產(chǎn)生模擬轉(zhuǎn)變。稍后我們會(huì)深入討論常用的兩種方法,也就是弛張震蕩器(relaxationoscillaTIon)以及持續(xù)近似法(successiveapproximaTIon)。


實(shí)際設(shè)計(jì)


要在實(shí)際的設(shè)計(jì)中構(gòu)建一個(gè)電容式傳感器并不難。如上所述,電容式傳感器不過(guò)就是在印刷電路板上放置一塊導(dǎo)體片,通常是銅片。而這塊導(dǎo)體片經(jīng)由觸發(fā)物質(zhì)—通常是手指,不僅能直接連結(jié)至控制組件;并可以直接與其互動(dòng)。感應(yīng)板則置于感測(cè)區(qū)域正下方的一層覆蓋層(overlay)表面上。傳感器與覆蓋層之間最好不要有任何空氣,而且要用不導(dǎo)電的接合劑將傳感器基板緊緊黏附在覆蓋層上。


控制電路可以設(shè)置于傳感器附近,而且越近越好。傳感器在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的需求決定了控制電路的配置。傳感器與控制電路距離越遠(yuǎn),則傳感器與接地面間的原生電容值就會(huì)隨之新增,因?yàn)閷?dǎo)線會(huì)與周圍環(huán)境互動(dòng),并進(jìn)而新增電容值;距離越長(zhǎng),增量就越明顯。


雖然要規(guī)定出最大的距離并不容易,但一般來(lái)說(shuō),6到12英吋可算是功能上限了。電容感應(yīng)應(yīng)用裝置的基板并非固定的;其中,最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)是具備銅導(dǎo)線的基本FR4印刷電路板。此外,附有銅片的彈性印刷電路板(通常用聚亞酰胺薄膜—Kapton)也很常見(jiàn)。彈性基板能夠讓機(jī)械設(shè)計(jì)更為容易,尤其是在彎曲的表面上。印刷在彈性物質(zhì)上如碳或銀的導(dǎo)電墨水,能以極低的成本制作電容式傳感器,但這當(dāng)中會(huì)因?yàn)閺椥晕镔|(zhì)無(wú)法上焊錫,而要控制印刷電路板以及連接器。


透明的導(dǎo)電物質(zhì),例如氧化銦錫(IndiumTInOxide;ITO)也快速地被廣泛使用在觸控式屏幕的應(yīng)用中。ITO傳感器會(huì)被印刷在玻璃或是聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯(pET)薄膜上,然后再結(jié)合上最終的設(shè)計(jì)成品。雖然目前已有玻璃覆晶(chip-on-glass)用于控制這類的應(yīng)用,但是在印刷電路板上使用彈性連接器或是熱把焊接(hotbarsoldering)卻是更經(jīng)濟(jì)的方法。


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