基于LDC1314芯片的電感式旋鈕控制系統設計

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

很多家電產品具有旋鈕操作這種控制方式，比如音箱、風扇、微波爐、抽油煙機、空調控制器等，在家電產品需要調節多個功能選項或者較大范圍參數時，相比按鍵點擊操作，旋鈕旋轉操作起來更加便捷，而且旋鈕操作本身也是一種有趣的、操作感強的人機交互方式。

目前家電產品的旋鈕大都采用機械式的旋鈕，旋鈕跟產品主體需要物理上的連接，需要在產品的操作面板上開孔，破壞產品面板的密封性和一體性，導致產品面板不防塵、不防水，而且容易藏污垢，不便產品表面清潔，濕抹布清潔旋鈕周圍時，還會容易把抹布中的水擠進旋鈕縫隙進入產品內部引起電路元器件腐蝕，損壞產品。而且機械式旋鈕使用較長時間后，由于長期物理上的受力、磨損，容易出現旋轉異?；蚴У膯栴}。

所以，本文提出了一種基于LDC1314 芯片的電感式旋鈕控制系統的設計方案，該系統利用金屬板和電感檢測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時，金屬板與線圈之間的耦合作用會發生變化，進而影響線圈電感量的變化[1]，通過LDC1314 芯片對電感量的變化進行檢測，識別旋鈕的轉動方向和角度，實現家電產品的電感式旋鈕控制。

1 電感式旋鈕控制系統結構設計

電感式旋鈕控制系統的結構包括兩大部分：旋鈕和產品主體，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，旋鈕依靠兩塊磁鐵的吸力貼合到面板上面，由于旋鈕需要進行旋轉，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部件結構示意圖

旋鈕PCB 上面鋪有特定形狀的銅皮，主板PCB 上面布有電感檢測線圈，當旋鈕旋轉時，特定形狀的銅皮跟線圈產生變化的磁耦合作用，引起線圈電感量的變化。

本系統采用磁吸式的結構，當需要清潔產品面板表面時，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品外觀設計。

2 電感式旋鈕控制系統硬件設計

2.1 旋鈕PCB 銅皮設計

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

銅皮外圈輪廓離中心點的距離L0與角度θ 關系為：

銅皮內圈輪廓離中心點的距離Li與角度θ 關系為：

銅皮寬度W= L0- Li。

銅皮外圈輪廓坐標x0和y0與角度θ 關系為：

銅皮內圈輪廓坐標xi和yi與角度θ 關系為：

利用PCB 設計軟件Altium Designer 對PCB 進行鋪銅，設計旋鈕PCB 銅皮，根據上述公式，計算出銅皮外圈和內圈輪廓在（0 ～359）°時的坐標值，并制作成csv 文件。在Altium Designer 中選擇Polygon Pour（鋪銅），導入外圈輪廓坐標值的csv文件，生成外圈輪廓形狀的鋪銅，再選擇Polygon Pour Cutout（鋪銅切割），導入內圈輪廓坐標值的csv 文件，在外圈輪廓形狀的鋪銅基礎上切割內圈輪廓形狀的鋪銅，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

設計的中央空調控制器旋鈕PCB 實物如圖3 所示。

圖3 中央空調控制器旋鈕PCB 實物圖

2.2 電感檢測線圈設計

在主板PCB 上設計四個電感檢測線圈，旋鈕與面板貼合時，四個線圈投影到旋鈕PCB 銅皮上的位置如圖4所示，相鄰的兩個線圈的中心與旋鈕PCB 中心的連線互相垂直，每個線圈的中心離旋鈕PCB 的中心距離為r，即旋鈕旋轉時，每個線圈的中心都在半徑為r 的圓形路徑上移動，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

線圈的設計比較復雜，其各種阻抗的匹配和線圈的形狀、尺寸及線圈的匝數都對檢測有很大的影響[2]，為了提高設計的精度和可靠性，采用TI 公司提供的WEBENCH? Inductive Sensing Designer Tool 進行線圈的設計。

在WEBENCH? Inductive Sensing Designer Tool 中，設定線圈離旋鈕PCB 銅皮的距離、測量精度、銅皮的最大寬度以及銅皮的材料后，軟件自動生成線圈設計方案，并且可以在生成的方案中對線圈直徑、匝數、PCB 層數等參數范圍進行調整，對方案進行篩選，而且可以看到不同方案對應的線圈匝數、直徑、并聯電容、串聯電阻、PCB 層數等參數，將線圈的這些參數輸入WEBENCH? Coil Designer 可以快速輸出線圈的電感、諧振頻率、品質因數Q 等參數，結合實際應用從中選擇出最合適的方案，最終導出PCB 文件[3]。

設計的中央空調控制器電感檢測線圈PCB 實物如圖5 所示。

圖5 中央空調控制器電感檢測線圈PCB 實物圖

2.3 電感式旋鈕檢測電路設計

本系統采用TI 公司的一款電感數字轉換芯片LDC1314 對線圈的電感量變化進行檢測，LDC1314 電路原理圖如圖6 所示，LDC1314 通過IIC 接口（SCL 和SDA）與主板MCU 通訊，CLK 腳接入8 MHz 的外部時鐘，為LDC1314 提供時鐘源。INTB 腳接到MCU 的中斷腳，當LDC1314 的狀態寄存器產生變化時，可通過INTB 腳產生中斷信號告知主板MCU。SD 腳接到MCU 的GPIO 口，MCU 可以在不需要檢測旋鈕狀態時，通過控制SD 電平關停LDC1314，以節省主板功耗[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

線圈與并聯的電容形成LC 并聯諧振回路，諧振回路的諧振頻率為：

LC 諧振電路產生的交變電流會形成交變磁場（圖7 中H1），當旋鈕貼合到面板上時，根據電渦流原理，旋鈕PCB 的銅皮內部會產生電渦流，電渦流也會產生磁場（圖7 中H2），抵消一部分線圈產生的磁場，由于磁場的反作用,使線圈中電流和相位都發生變化，也即引起線圈的等效阻抗發生變化，線圈的電感量也發生變化[5]。當旋鈕轉動時，銅皮投射到線圈上的面積隨著旋鈕旋轉的角度變化而變化，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強度也不同，進而被抵消的線圈磁場強度也不一樣，導致旋鈕旋轉時線圈的電感量產生變化，進一步引起LC諧振回路的諧振頻率的變化。

LDC1314 芯片可以檢測LC 諧振頻率，并將頻率經過內部計算轉換為AD 值[4]，主板MCU 通過IIC 總線從LDC1314 獲取不同頻率對應的AD 值。

3 電感式旋鈕控制系統軟件設計

3.1 旋鈕旋轉角度的計算

四個檢測線圈分為兩組，如圖8 所示，A1、A2 為一組，B1、B2 為一組。

分別計算每組中兩個線圈檢測到的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系，當旋鈕貼合到面板上時，以圖8 所示的線圈與銅皮所處的相對位置為0 °相位，旋鈕旋轉一周，記錄不同相位時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

對兩組差值大小進行調整和偏移，將范圍校準到[-1，1]之間，經過線性校準的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 線性校準后的A、B 組差值曲線圖

利用反正切函數計算旋鈕旋轉的角度θ，計算公式如下：

3.2 旋鈕旋轉檢測算法

通過檢測旋鈕旋轉的角度和方向，即可對產品的參數或功能進行調節。

主板MCU 每隔50 ms 檢測一次旋鈕旋轉的角度，第一次檢測的角度值為θ1，并把θ1賦值給θl，第二次檢測的角度值為θ2，以此類推，第n 次檢測的角度值為θn，從第二次檢測開始，每次檢測角度后，計算本次檢測的角度跟θl的差值。

當|θn-θl|＜ A0 時，θl的值不變。

當|θn-θl|＞A1 時，旋鈕的旋轉操作無效，且將本次檢測的角度值θn賦值給θl，即θl=θn。

當θn＞θl且A1 ≥θn-θl≥A0 時，識別為一次正向旋轉，被調節的參數加一，且將本次檢測的角度值θn賦值給θl，即θl=θn；當θl＞θn且A1 ≥θl-θn≥A0 時，識別為一次反向旋轉，被調節的參數減一，且將當前檢測的角度值θn賦值給θl，即θl=θn。

另外，還需要判斷旋鈕的旋轉是否經過0°位置，當θn＞θl且A1 ≥360 °-(θn-θl) ≥A0 時，說明反向旋轉經過了0 °位置，識別為一次反向旋轉； θl＞θn且A1 ≥360 °-(θl-θn) ≥A0 時，說明正向旋轉經過了0 °位置，識別為一次正向旋轉。

其中A0 和A1 是預設值，旋鈕每旋轉A0 角度后改變一次參數值，A1 是一個較大的角度值，表明在50 ms 時間內旋鈕變化了很大的一個角度，說明不是用戶的正常操作需求，處理為無效操作，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作。在產品設計和調試時，可以根據旋鈕的大小、被調參數的多少確定A0 和A1 的值，讓旋鈕操作達到適合的靈敏度。旋鈕直徑較小時，容易一次旋轉較大角度，被調參數較少，則可以旋轉角度較大時才改變一次參數，所以旋鈕直徑越小、被調參數較少，則可以把A0 和A1 設為越大，反之亦然。另外還可以通過改變每次檢測旋轉角度的時間間隔，調節旋鈕旋轉的靈敏度。

從θl重新賦值開始，如果經過2 s 后，|θn-θl|＜A0，則將本次檢測的角度值θn賦值給θl，因為在較長時間內旋鈕都沒有大于A0 的角度變化，說明沒有人為的旋轉操作，此時需要更新θl值，防止旋鈕由于某些非人為操作的原因出現緩慢轉動而引起誤動作，比如產品工作時面板振動引起旋鈕輕微的轉動。

旋鈕旋轉檢測算法流程圖如圖11 所示。

圖11 旋鈕旋轉檢測算法流程圖

因為電感式旋鈕旋轉角度的檢測精度可以達到1 °，所以可以通過調節A0 和A1 的值，滿足不同旋鈕尺寸、參數范圍的產品應用，并實現精度為1 °的旋轉靈敏度調節，達到最佳的操作手感，還可以應用于參數的無極調節。經實際測試，在旋鈕直徑為50 cm、需調參數為20 個時，A0 設為15 °，A1設為90 °，操作體驗較好。

4 結束語

在家電產品中，旋鈕操控是一種不可或缺的人機交互方式，相比于傳統的機械式旋鈕，電感式旋鈕具有靈敏度可調、結構簡單、利于產品面板一體化設計、可移動、易清潔、不易磨損等優勢。本文設計的電感式旋鈕控制系統已經應用于中央空調控制器，提供了一種全新的空調控制體驗，在其他家電產品中，亦可采用此電感式旋鈕控制系統方案，實現產品的外觀和操作體驗升級，特別是對于一些控制面板容易臟污需要經常清潔的產品，比如抽油煙機、燃氣灶等。

另外，電感式旋鈕還可以做一些擴展功能的設計，比如旋鈕內部增加紅外遙控電路和紐扣電池，即可集成遙控功能，當旋鈕置于產品面板上時，實現旋轉控制功能，當旋鈕從面板上拿下來時，實現遙控操作功能。