基于C805lF310單片機(jī)和MC33794實(shí)現(xiàn)模擬游戲控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

引 言

傳感器技術(shù)是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和信息處理技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集的前沿技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。如果說計(jì)算機(jī)是人類大腦的擴(kuò)展，那么傳感器就是人類五官的延伸。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)接口的種類越來越豐富，從早期最簡單的機(jī)械式按鈕、電位器旋鈕到現(xiàn)在的電容式觸摸感應(yīng)、電場非接觸傳感、人臉識別及語音識別等，人機(jī)接口的智能性、易用性及可靠性也顯著提高。本文通過使用Freescale公司的MC33794電場傳感器，設(shè)計(jì)了一種新型的模擬游戲控制器。該模擬游戲控制器通過電場傳感器的電極，非接觸感知手掌的姿態(tài)，從而控制模擬游戲中各個方向上的力度，實(shí)現(xiàn)對“模擬量”控制的功能。

模擬游戲中，通常需要控制游戲中上、下、左、右各個方向上的力度。例如汽車模擬游戲中，通常需要控制游戲中汽車的油門及方向，這2個參數(shù)是確定汽車行駛的重要參數(shù)，而這些參數(shù)的變化是連續(xù)的，并且在不同的控制力度下汽車的行駛會有不同的表現(xiàn)。在以往的低成本游戲控制器中，不能感知這些強(qiáng)度連續(xù)變化的模擬量。在本設(shè)計(jì)中，將手掌放置于模擬游戲控制器電極上方，控制時只須變化手掌相對于游戲控制板電極平面的姿態(tài)，就可以將游戲玩家需要的控制強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為對游戲的控制強(qiáng)度，輸出到游戲控制中心，實(shí)現(xiàn)對游戲中被控物體的控制功能。

1、 電場傳感器MC33794

電場是指存在于帶電物體的周圍，使帶電物體能夠受到力的作用的空間。電場普遍存在于自然界中，物體的摩擦?xí)D(zhuǎn)移電荷產(chǎn)生電場，鯊魚等魚類通過電場偵測獵物，電子領(lǐng)域的電容器中存在穿過帶電電容極板的電場。只要物體可以看作是電容板，那么都可以成為電場感應(yīng)器的一部分。幾乎所有的物體在其自身的電容和電場改變時都能夠被感應(yīng)，電場和電容是物體問相互作用的固有現(xiàn)象。通過一個主動電極就能夠產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一個電場；具有一定介電常數(shù)的物體靠近電容的兩極，通過感應(yīng)電極就可以測量到電容的變化。這樣就可以通過非接觸感應(yīng)技術(shù)測量物體的三維空間位置變化。

FTeescale公司的電場傳感器MC33794適用于需要對物體進(jìn)行非接觸感應(yīng)的應(yīng)用。它包含了產(chǎn)生電場所必需的電路，能夠產(chǎn)生低水平電場，測量由于物體在電場中移動造成的電場負(fù)載。MC33794還可用于檢測與電極相關(guān)的電場中的物體。集成電路可以產(chǎn)生一個低頻正弦波。其頻率可通過使用外部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，并優(yōu)化到125kHz。正弦波的諧波含量非常低，可以避免產(chǎn)生諧波干擾。內(nèi)部產(chǎn)生器可以產(chǎn)生5．0V的峰一峰輸出電壓，并通過大約22Ω的內(nèi)部電阻。MC33794與MCU的連接示意圖如圖1所示。

MC33794可以連接9個電極和2個參考電極，通過一個屏蔽驅(qū)動以減小線纜電容回路對測量產(chǎn)生的影響。MC33794還帶有+5V的電壓調(diào)節(jié)器，可向外部單片機(jī)系統(tǒng)供電，同時還提供了一個燈驅(qū)動輸出。

2、 游戲控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 組合型方向控制電極設(shè)計(jì)

電場傳感器能夠感知電場中物體在三維空間內(nèi)的移動，物體感知原理如圖2所示。當(dāng)手掌進(jìn)入電極產(chǎn)生的電場區(qū)域以后。電極卜的電流會有相應(yīng)的變化，從而感知手掌距電極的距離。

根據(jù)此物體原理，可以通過使用MC33794的5個電極在同一平面內(nèi)組成“十”字組合型方向控制電極，如圖3所示。該組合型方向控制電極可以感知電極上方5個垂直方向上的物體高度變化，將手掌置于組合電極上即可方便地對游戲中被控物體的方向進(jìn)行控制。單個電極選用八角型銅板，面積約為30 cm2（5cm×6cm）；整個“十”字組合型方向控制電極所占面積約為270cm2（15cm×18cm），適合大部分成年人手掌覆蓋在此組合電極區(qū)域。針對兒童市場，須使用更小尺寸的電極。

在使用時，1～4號電極表示游戲中的4個方向，手掌相對這些電極的高度表示需要對這些方向上控制的強(qiáng)度，高度越低，表示需要控制的強(qiáng)度越大；由于在設(shè)計(jì)游戲控制器時考慮到如果手掌彎曲，那么將出現(xiàn)需要同時控制相反兩個方向的情況（這種控制方式在實(shí)際情況中不存在），因此在1～4號電極中間加入了5號電極，以檢測手掌彎曲狀態(tài)。又因?yàn)槭终撇豢赡鼙３纸^對水平，因此引入水平誤差系數(shù)ε。該參數(shù)使得控制平面允許有一定的彎曲度。

2．2 前端信號調(diào)理電路

MC33794輸出端LEVEL是O～3．5V變化的模擬信號，根據(jù)不同的電極種類，輸出的最大值會略有不同。當(dāng)極板上方無物體時，LEVEL輸出最大值；當(dāng)有物體進(jìn)入電極感應(yīng)區(qū)域后，LEVEL輸出電壓將會降低，最終降至OV。由于MC33794產(chǎn)生的電場為低水平電場，電極較為敏感的區(qū)域在電極上方O～2cm處，而作為游戲控制器使用時，需要用到的電極敏感區(qū)域?yàn)殡姌O上方2～10cm處，因此在前端信號調(diào)理部分需要放大此高度區(qū)間內(nèi)的信號。

圖4為前端信號調(diào)理電路圖。該電路由2個工作在反向放大模式下的LM358D運(yùn)算放大器組成。電阻R8的滑動端輸出VOFFSET偏置電壓，并輸入到放大器的正輸入端。MC33794的LEVEL信號接到第一級LM358D運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，經(jīng)過放大后，輸出信號LEVEL_AMP的變化趨勢與LEVEL信號一致。

通過調(diào)節(jié)VOFFSET與R7的值，可以對LEVEL信號中所感興趣的電壓區(qū)間進(jìn)行放大，同時還可以控制輸出信號的幅度范圍。在該設(shè)計(jì)中，通過對LEVEL信號2．9～3．5V電壓區(qū)間內(nèi)的信號放大，滿足了被測物體在電極上方2～10cm變化時，輸出電壓在0～3．4V變化的靈敏度要求。

2．3 游戲控制器硬件設(shè)計(jì)

游戲控制器的主控MCU選用Silicon Lab公司的C805lF310單片機(jī)。該單片機(jī)集成有采樣頻率為200ksps的10位ADC，外設(shè)有串口及SPI等常用接口。當(dāng)單片機(jī)工作在25MHz時，速度町達(dá)25MIPS。

本設(shè)計(jì)中，將信號調(diào)理電路的輸出接到C8051F310的ADC輸入端，數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后通過RS232串口發(fā)送至PC。系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。

將MC33794的A、B、C、D接到C805lF310的I／O口上，通過軟件控制I／O口輸出，選擇需要采樣的電極。MC33794共9個電極可以使用，其中E1～E5接控制方向的電極，其余電極用作其他按鍵。

2．4 游戲控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件主要控制選擇電極、采樣、濾波、運(yùn)算，最后將數(shù)據(jù)通過RS-232串口送回游戲控制中心。軟件的運(yùn)算部分需要將方向控制電極上采集到的三維手掌姿態(tài)信息，變換為二維直角坐標(biāo)平面內(nèi)x軸與y軸上的數(shù)值，供游戲合成方向矢量使用。三維直角坐標(biāo)系內(nèi)，方向控制電極上所采集到的各點(diǎn)的電壓為這些點(diǎn)在z軸上的幅度值，分別表示為zE1、zE2、…、zE5，則在二維直角坐標(biāo)系內(nèi)x軸上的控制力度為△x=zE2-zE4，y軸上的控制力度為△y=zE3-zE1。當(dāng)手掌平面與方向控制電極平面平行時，△x與△y均為0；當(dāng)手掌平面偏向1號與4號電極方向（即以1號電極為向前方向時的右前方向）時，△x與△y均為正值，此時，在二維直角坐標(biāo)系內(nèi)，合成后的方向矢量將在第一象限中。由于實(shí)際中不存在同時進(jìn)行兩個相反方向控制的情況。因此須事先約定手掌平面不能彎曲，同時引入水平誤差系數(shù)ε。計(jì)算方向矢量的同時，各個變量還須滿足以下2個公式：

軟件流程如圖6所示。當(dāng)手掌向右前方向傾斜時，按照圖3所示的三維空間直角坐標(biāo)系內(nèi)的電極放置方向，分別對各個方向控制電極三維空問內(nèi)的坐標(biāo)投影至xz和yz平面，即將2號與4號電極的三維坐標(biāo)在xz平面上投影，將1號與3號電極的三維坐標(biāo)在yz平面投影。投影后的xz與yz坐標(biāo)如圖7所示。

當(dāng)手掌向右前方向傾斜時，二維坐標(biāo)平面內(nèi)x軸與y軸上的方向控制分量在坐標(biāo)系內(nèi)合成的方向控制矢量如圖8所示。

3、結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過使用電場傳感器實(shí)現(xiàn)了模擬游戲控制器，通過電場傳感器對三維空間的感知能力，給游戲玩家?guī)砹四M游戲的全新體驗(yàn)。目前，該游戲控制器已經(jīng)完成全部硬件調(diào)試及軟件測試。試驗(yàn)結(jié)果表明．其完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)計(jì)的控制功能，且工作良好。這種通過電場進(jìn)行控制的方式具有可靠性高、使用壽命長、成本較低等特點(diǎn)，同時還可以應(yīng)用于各種需要控制模擬量的場合（如模型汽車控制板），具有廣闊的應(yīng)用前景。

責(zé)任編輯：gt