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电容式感测技术在电玩游戏控制电路中的应用

2019年04月09日 14:16 次阅读
电玩游戏应用拥有多项技术层级,尤其是在软件方面,然而游戏本身的才是主角。 绘图与处理速度能限制或展现游戏中软件的开发状况,因此最容易受到消费者和评论家关注。而主机控制器(console controller)也一样非常重要。电玩控制器的接口方式不断推陈出新,目的就是为了能与屏幕上所显示出来的场景进行更有效的互动。 虽然多数电玩游戏的开发都着重在软件和处理器上,但许多重大的创意和前瞻想法都与控制器相关。由于游戏系统及外围厂商努力改善玩家与其系统互动的方式,因此无论是在人体工学、风格、功能、或是特色等方面都不断地在开发改进。
电容式感测技术在电玩游戏控制电路中的应用
寻找新的典范 我们可能都还记得具备四方形底座的Atari 最早期控制器,其中央有一根游戏杆,旁边还有一颗按键的设计对于当时的电玩游戏而言已相当足够。因为当时所需要的只有基本的方向控制和一个选择按键,就可以进行游戏,而这个控制器则完全符合所需。任天堂后来发表了四方形控制器的任天堂娱乐系统(Nintendo Entertainment System),其中方向按键取代了游戏杆,而且还增加第二颗按键,这是以现有技术开发出来的重大改变。 那时开始,控制器就开始变得越来越复杂。现在,标准的游乐器主机控制器上具备比以往更多的按键,而且每个按键都拥有更强大的功能。具备压力感应间断作用的按键让其触发作用获得更好的控制,尤其对于驾驶类电玩游戏中的煞车与加速控制特别有用。 而按键组合在格斗游戏中也电容对电压转换器乃是利用切换式电容器技术。震动功能(rumble-packs)则让玩家能体验真实感觉,而不再只是声光效果而已。由于游戏杆具备的卓越模拟功能性,让其在最新的控制器上重现生机。电容式感测技术(电容式触控感应)是最新的接口技术,能提高游戏控制器的可用性,以及最炫的机械设计。 电容式感测技术概观 电容式感测最常用于个人计算机触控板与可携式媒体播放器上。手机制造商也开始投入资金来推广其用途,并已开发出数种机型销售上市。简单的架构、装置防水性及坚固的机械式设计等都是电容式感测接口极具吸引力的特性。 方法 要达到电容式感测效果有好几种方式,但基本的要素却固定不变。其中,电容式传感器不过是在印刷电路板中连接至控制器电路上的铜片(pad)。感测按键与其连接导线的组合会在其周围产生电容。 设计时所考虑的接地面、金属支撑装置、还有其它电子与机械组件都会影响传感器的电容值。一般认为传感器电容值等同于它与接地面之间的电容值。当具有导电性的触发物质(例如手指)靠近传感器到一定程度时,该电容值就会增加。这是因为导体本身会在传感器与接地面之间产生更多可能的路径,愈多的路径则会产生愈多的场线,这样一来就会提高整个电容值。 在电容式传感器的前端是由切换式电容器(switched capacitors)、内部电流源或是具有外部电阻器的电压源所组成。这些方法都是为了要在感测电容器上输入电压值。而该电压值可透过ADC、或由比较器所构成的充电时间量测电路之处理,然后到达计数器或定时器。数字输出值被电容式感测系统的数据处理和决定(decision-making)所使用时,则会在ADC 输出值中产生转变或在电容质中的计数值产生模拟转变。稍后我们会深入讨论常用的两种方法,也就是弛张震荡器(relaxation oscillaTIon)以及连续近似法(successive approximaTIon)。 实际设计 要在实际的设计中构建一个电容式传感器并不难。如上所述,电容式传感器不过就是在印刷电路板上放置一块导体片,通常是铜片。而这块导体片经由触发物质—通常是手指,不仅能直接连结至控制组件;并可以直接与其互动。感应板则置于感测区域正下方的一层覆盖层(overlay)表面上。传感器与覆盖层之间最好不要有任何空气,而且要用不导电的接合剂将传感器基板紧紧黏附在覆盖层上。 控制电路可以设置于传感器附近,而且越近越好。传感器在机械结构上的需求决定了控制电路的配置。传感器与控制电路距离越远,则传感器与接地面间的原生电容值就会随之增加,因为导线会与周围环境互动,并进而增加电容值;距离越长,增量就越明显。 虽然要规定出最大的距离并不容易,但一般来说,6 到12 英吋可算是功能上限了。电容感应应用装置的基板并非固定的;其中,最常见的设计是具备铜导线的基本FR4 印刷电路板。此外,附有铜片的弹性印刷电路板(通常用聚亚酰胺薄膜—Kapton)也很常见。弹性基板能够让机械设计更为容易,尤其是在弯曲的表面上。印刷在弹性物质上如碳或银的导电墨水,能以极低的成本制作电容式传感器,但这当中会因为弹性物质无法上焊锡,而需要控制印刷电路板以及连接器。 透明的导电物质,例如氧化铟锡(Indium TInOxide;ITO)也快速地被广泛使用在触控式屏幕的应用中。ITO 传感器会被印刷在玻璃或是聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)薄膜上,然后再结合上最终的设计成品。虽然目前已有玻璃覆晶(chip-on-glass)用于控制这类的应用,但是在印刷电路板上使用弹性连接器或是热把焊接(hot bar soldering)却是更经济的方法。
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