一种USB接口的手柄控制器

技术领域

本发明涉及手柄控制器领域，尤其涉及一种USB接口的手柄控制器。

背景技术

手柄控制器是一种常用于自动化设备、工程车辆、台式仪器的主控设备，用于调节位置、速度、方向、音量等各种变量，传统的手柄控制器主要采用电位器为核心元件，通过摆动手柄使电位器的电阻发生与角度相对应的变化，输出的电压信号也随之改变。由于该类手柄控制器寿命相对较短，近些年来非接触技术越来越多的被用于手柄控制器内替代传统的电位器。

手柄控制器通常输出电压或电流这类模拟量信号，但在一些特别的应用中，手柄控制器会与PC或工控机连接，作为常见输入设备的替代品，但手柄控制器和设备之间大多为数据线固定连接，无法进行拆卸更换，不支持热插拔，缺乏便利性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种USB接口的手柄控制器，包括：

一外壳，外壳底部连接一底盖，底盖内设有一主线路板，主线路板通过复数个第一螺钉连接外壳的底部，主线路板底部设有一USB接口；

一主轴旋转机构，穿设在外壳内部，主轴旋转机构的底部卡入外壳内部的两个半圆形内凹中，主轴旋转机构的顶部通过外壳顶部的一中心通孔穿过外壳；

一主轴复位机构，设置于外壳内且套设于主轴旋转机构外部；

一顶部旋转机构，设置于外壳顶部，顶部旋转机构的底部通过一第二螺钉连接主轴旋转机构的顶部；

一按钮开关，设置于顶部旋转机构的顶部。

优选的，外壳包括：

一上盖，套设在一防尘罩外侧，主轴旋转机构的顶部穿设在防尘罩顶部的中心通孔内部；

一上托架，防尘罩底部套设在上托架顶部的圆形结构的外侧；

一上本体，上本体的顶部套设在上托架底部的外侧；

一下盖，下盖套设在上本体底部的外侧；

一下本体，下本体底部连接主线路板顶部，下本体和主线路板通过第一螺钉连接上本体的底部。

优选的，上盖、防尘罩、上托架、上本体和下盖通过复数个第三螺钉固定连接。

优选的，上本体和下本体内部分别设有一个半圆形内凹。

优选的，主轴旋转机构包括：

一底部呈球形的主轴，上本体内部的半圆形内凹和下本体内部的半圆形内凹将主轴的底部包裹住，主轴的顶部穿过防尘罩顶部的中心通孔，与顶部旋转机构的底部连接；

一第一环形磁钢，设置在主轴的底部内；

一止转钉，止转钉的粗轴径部分卡在上本体和下本体内部对应的半圆柱槽内，止转钉的细轴径部分插入主轴底部侧面的槽内。

优选的，主轴复位机构包括：

一卡簧，插入主轴上的一卡簧槽内；

一压盖，套设在主轴外侧，压盖的顶部连接卡簧的底部；

一弹簧，套设在主轴外侧，弹簧的顶部连接压盖的底部；

一滑块，套设在主轴外侧，滑块的顶部连接弹簧的底部，滑块的顶部卡入上本体的底部的槽内。

优选的，顶部旋转机构包括：

一连接轴，连接轴顶部的细轴径部分外侧套有一旋转座，连接轴底部的细轴径部分外侧套有一手柄底板；

两个销，分别相对地紧固在旋转座和连接轴内；

一扭簧，扭簧的两根扭簧臂交叉夹紧两个销；

两个扭簧挡板，每个扭簧挡板的内圈分别衬在扭簧的内圈，每个扭簧挡板的臂分别衬在扭簧的两根扭簧臂外侧；

复数个支撑柱，设于旋转座和手柄底板之间；

一手柄，套设在旋转座外侧，通过复数个第四螺钉连接旋转座，手柄内部设有一第二环形磁钢。

优选的，旋转座、支撑柱和手柄底板通过复数个第五螺钉固定连接。

优选的，顶部旋转机构还包括一线路板托板和一顶部线路板，线路板托板连接连接轴的顶部，顶部线路板设于线路板托板内部。

优选的，底盖的底部设有与主线路板底部凸块和USB接口适配的复数个小孔，主线路板底部的凸块和USB接口通过小孔穿过底盖的底部。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：可以输出与手柄控制器动作角度成比例的控制信号，可以输出开关量信号，将控制信号转换成串行信号，通过标准的USB接口进行传输，通过扩展接口连接其他元件组成控制组件，USB接口方便插拔。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施例中，本手柄控制器的结构爆炸图；

图2为本发明的较佳的实施例中，本手柄控制器的剖面图；

图3为本发明的较佳的实施例中，顶部线路板的电气原理图；

图4为本发明的较佳的实施例中，主线路板的USB接口电路的电气原理图；

图5为本发明的较佳的实施例中，主线路板的稳压电路的电气原理图；

图6为本发明的较佳的实施例中，主线路板的单片机最小系统电路的电气原理图；

图7为本发明的较佳的实施例中，主线路板的角度传感电路的电气原理图；

图8为本发明的较佳的实施例中，主线路板的内部接口电路的电气原理图；

图9为本发明的较佳的实施例中，主线路板的外部扩展口电路的电气原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种USB接口的手柄控制器，如图1、图2所示，包括：

一外壳1，外壳1底部连接一底盖2，底盖2内设有一主线路板21，主线路板21通过复数个第一螺钉22连接外壳1的底部，主线路板21底部设有一USB接口23；

一主轴旋转机构3，穿设在外壳1内部，主轴旋转机构3的底部卡入外壳1内部的两个半圆形内凹中，主轴旋转机构3的顶部通过外壳1顶部的一中心通孔穿过外壳1；

一主轴复位机构4，设置于外壳1内且套设于主轴旋转机构3外部；

一顶部旋转机构5，设置于外壳1顶部，顶部旋转机构5的底部通过一第二螺钉6连接主轴旋转机构3的顶部；

一按钮开关7，设置于顶部旋转机构5的顶部。

具体地，本实施例中，按钮开关7可以为触发型开关，也可以为切换型开关，用于提供开关量信号，底盖2用于保护主线路板21。

本发明的较佳的实施例中，外壳1包括：

一上盖11，套设在一防尘罩12外侧，主轴旋转机构3的顶部穿设在防尘罩12顶部的中心通孔内部；

一上托架13，防尘罩12底部套设在上托架13顶部的圆形结构的外侧；

一上本体14，上本体14的顶部套设在上托架13底部的外侧；

一下盖15，下盖15套设在上本体14底部的外侧；

一下本体16，下本体16底部连接主线路板21顶部，下本体16和主线路板21通过第一螺钉22连接上本体14的底部。

具体地，本实施例中，上托架13为上圆下方的塑料零件，其方形结构的尺寸和上本体14上方的方形内凹部分相匹配，上托架13可以通过该方形结构卡在上本体14上部，防尘罩12为多层塔型结构的橡胶零件，防止外部的水尘进入到手柄控制器内部，利用防尘罩12上的中心通孔，将防尘罩12从上方套在主轴旋转机构3上，而防尘罩12下方则套在上托架13上部圆形结构的外侧，下盖15从下方套在上本体14外侧。

本发明的较佳的实施例中，上盖11、防尘罩12、上托架13、上本体14和下盖15通过复数个第三螺钉16固定连接。

本发明的较佳的实施例中，上本体14和下本体16内部分别设有一个半圆形内凹。

本发明的较佳的实施例中，主轴旋转机构3包括：

一底部呈球形的主轴31，上本体14内部的半圆形内凹和下本体16内部的半圆形内凹将主轴31的底部包裹住，主轴31的顶部穿过防尘罩12顶部的中心通孔，与顶部旋转机构5的底部连接；

一第一环形磁钢32，设置在主轴31的底部内；

一止转钉33，止转钉33的粗轴径部分卡在上本体14和下本体16内部对应的半圆柱槽内，止转钉33的细轴径部分插入主轴31底部侧面的槽内。

具体地，本实施例中，主轴31为一根底部呈球形的空心不锈钢轴形零件，上本体14为上方下圆的特殊形状塑料零件，下本体16为扁圆形塑料零件，上本体14和下本体16内部各有一个与主轴31底部球形结构尺寸相匹配的半圆形内凹，上本体14和下本体16通过半圆形内凹的结构分别从上下两个方向将主轴31底部的球形结构包裹住，使得主轴在轴向上无法移动，但是可以绕着球形结构的中心进行摆动，止转钉33为具有一层台阶的不锈钢轴形零件，止转钉33的轴线指向主轴31底部球形结构的中心，将止转钉33的粗轴径部分卡在上本体14和下本体16内部对应的半圆柱槽内，使止转钉33无法移动，将止转钉33的细轴径部分插入主轴31底部球形结构侧面的槽内，使主轴31在摆动时无法周向旋转。

本发明的较佳的实施例中，主轴复位机构4包括：

一卡簧41，插入主轴31上的一卡簧槽内；

一压盖42，套设在主轴31外侧，压盖42的顶部连接卡簧41的底部；

一弹簧43，套设在主轴31外侧，弹簧43的顶部连接压盖42的底部；

一滑块44，套设在主轴31外侧，滑块44的顶部连接弹簧43的底部，滑块44的顶部卡入上本体14的底部的槽内。

具体地，本实施例中，滑块44为低摩擦系数的塑料零件，滑块44从上方套入主轴31，在滑块44上方依次是弹簧43、压盖42和卡簧41，卡簧41用于限制弹簧43的轴向移动并提供初始预压力，压盖42用于控制弹簧43的空间位置，保证弹簧力均匀，随着主轴31摆动角度的增加，弹簧43的压缩量也随之增加，当主轴31的外力消失时，在弹簧43弹性力的作用下，主轴31会恢复到初始的竖直状态。

本发明的较佳的实施例中，顶部旋转机构5包括：

一连接轴51，连接轴51顶部的细轴径部分外侧套有一旋转座52，连接轴51底部的细轴径部分外侧套有一手柄底板53；

两个销54，分别相对地紧固在旋转座52和连接轴51内；

一扭簧55，扭簧55的两根扭簧臂交叉夹紧两个销54；

两个扭簧挡板56，每个扭簧挡板56的内圈分别衬在扭簧55的内圈，每个扭簧挡板56的臂分别衬在扭簧55的两根扭簧臂外侧；

复数个支撑柱57，设于旋转座52和手柄底板53之间；

一手柄58，套设在旋转座52外侧，通过复数个第四螺钉8连接旋转座52，手柄58内部设有一第二环形磁钢59。

本发明的较佳的实施例中，旋转座52、支撑柱57和手柄底板53通过复数个第五螺钉9固定连接。

具体地，本实施例中，连接轴51是中部粗两端细的空心轴型零件，其上方的细轴径部分套有旋转座52，旋转座52可以绕着连接轴51的轴线旋转，当施加在旋转座52使其旋转的力矩消失后，在扭簧55复位力的驱动下，旋转座52会回到原始位置，扭簧挡板56的内圈衬在扭簧55的内圈，用于控制轴向间隙，扭簧挡板56的臂衬在两根扭簧臂外侧，用于增加受力面积，改善扭簧臂的受力状况，手柄底板53为环形零件，由于连接轴51中部最粗轴径部分的限制，旋转座52只能旋转而无法轴向移动。手柄58通过两颗第五螺钉9与旋转座52连接并一起绕着连接轴51的轴线旋转。

本发明的较佳的实施例中，顶部旋转机构5还包括一线路板托板510和一顶部线路板511，线路板托板510连接连接轴51的顶部，顶部线路板511设于线路板托板510内部。

具体地，本实施例中，线路板托板510是碗形零件，安装在连接轴51顶部，顶部线路板511是圆形PCB板，安装在线路板托板510内部，顶部线路板511上焊有霍尔传感芯片，第二环形磁钢59安装在手柄58内部，并与手柄58一起绕着连接轴51的轴线旋转。当手柄58旋转时，第二环形磁钢59产生的磁场同步进行了旋转，处于该磁场范围内的顶部线路板511上的霍尔传感芯片检测到磁场的变化，将该变化以与旋转角度成正比的电压信号传送出去。

具体地，本实施例中，如图3所示，U1为MLX90365型号的霍尔传感芯片，芯片U1的第1引脚分别连接电压输入口VCC和滤波电容C1的一端，滤波电容C1的另一端分别连接芯片U1的第2引脚、第3引脚、第4引脚和接地口GND，芯片U1的第5引脚分别连接电压输出口OUT和滤波电容C3的一端，滤波电容C3的另一端连接接地口GND，芯片的第6引脚、第7引脚和第8引脚分别连接滤波电容C2的一端，滤波电容C2的另一端连接接地口GND，瞬态二极管TVS的正极端连接接地口GND，负极端连接电压输入口VCC，芯片U1通过检测磁场的变化，将该变化以与旋转角度成正比的电压信号传送出去，瞬态二极管TVS用于抑制电源端的瞬态高压，对后级的元器件进行保护，滤波电容C1和C2分别用于改善输入电源和输出信号的平滑性。

本发明的较佳的实施例中，底盖2的底部设有与主线路板21底部凸块和所述USB接口23适配的复数个小孔，主线路板21底部的所述凸块和所述USB接口23通过小孔穿过底盖2的底部。

具体地，本实施例中，主线路板21是圆形的PCB板，板上包括霍尔传感芯片、单片机、USB接口电路、接插件等，第一环形磁钢32安装在主轴31下方，正对主线路板21上的霍尔传感芯片并将其纳入自身的磁场范围内，主线路板21上的霍尔传感芯片检测到随主轴31一起摆动的第一环形磁钢32磁场的变化，并将X、Y轴两个方向磁场的变化以和摆动角度成正比的电压信号分别传送出来，主线路板21上的单片机接收并处理来自按钮开关7、顶部线路板511的霍尔传感芯片和主线路板21的霍尔传感芯片分别传送过来的信号，将信号组合并转换成串行信号，通过USB接口23对外部进行传输。

本发明的较佳的实施例中，主线路板上的USB接口电路、稳压电路、单片机最小系统电路、角度传感电路、内部接口电路和外部扩展口电路如图4-9所示，单片机最小系统电路分别连接USB接口电路、稳压电路、角度传感电路、内部接口电路和外部扩展口电路，单片机最小系统电路中采用STM32F103C8T6型号的单片机U2，单片机U2的第5引脚和第6引脚分别连接有源晶振Y1两端，有源晶振Y1并联电阻R8，有源晶振Y1的四个引脚分别连接电容C11、电容C12和接地口GND，单片机U2的第44引脚连接电阻R7，第20引脚连接电阻R9，第七引脚分别连接电容C10和电阻R6的一端，第39引脚分别连接电容C13和电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接电阻R6的另一端，电容C13两端并联双向击穿二级管D5，单片机U2的第23引脚、第35引脚、第37引脚和第8引脚连接接地口GND，单片机U2的第24引脚、第36引脚和第48引脚连接电容C6，电容C6两端分别并联电容C7和电容C5，单片机U2的第9引脚分别连接USB接口电路、稳压电路和电感器L4的一端，电感器L4的另一端连接电容C9和电容C8，单片机U2的第34引脚和第37引脚分别连接转接器J2的第1引脚和第2引脚，该单片机最小系统电路用于处理多路模拟量和开关量信号，并转换为串行信号，通过USB接口输送出去；

USB接口电路采用ESD二极管U5，二极管U5的第5引脚分别连接电容27、自恢复保险丝F1的一端和磁珠L1的一端，磁珠L1的另一端连接由电容C1和电容C2组成的并联电路，自恢复保险丝F1的另一端连接转接器J1的第1引脚，转接器J1的第4引脚连接磁珠L2，转接器J1的第5引脚和第6引脚连接接地口GND，转接器J1的第2引脚连接二极管U5的第4引脚，转接器J1的第3引脚连接二极管U5的第6引脚，二极管U5的第1引脚和第3引脚分别连接共模电感L3的第3引脚和第2引脚，二极管U5的第2引脚连接接地口GND，共模电感L3的第4引脚连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接单片机U2的第33引脚，共模电感的第1引脚连接单片机U2的第32引脚，该USB接口电路通过ESD二极管U5防止静电通过USB的信号线打坏单片机U2的管脚，共模电感L3用于滤除信号传输时的共模高频干扰，同时设置自恢复保险丝F1防止线路板发生短路时损坏USB主机接口，磁珠L1和L2用于滤除电源端的高频干扰；

稳压电路采用TPS7B6933DBVR型号的低压差线性稳压器U1，稳压器U1的第1引脚和第3引脚分别连接电容C3的两端，电容C3的一端连接接地口GND，稳压器U1的第4引脚和第5引脚分别连接电容C4的两端，电容C4的一端连接接地口GND，该稳压电路用于对后级电路实现3.3V稳定供电；

角度传感电路采用MLX90333KDC型号的霍尔传感芯片U3，芯片U3的第7引脚连接电容C15的一端，电容C15的另一端和芯片U3的第6引脚、第8引脚连接接地口GND，芯片U3的第5引脚连接电阻R24的一端，电阻R24的另一端连接单片机U2的第11引脚，电阻R24和芯片U3的第5引脚之间并联电容C16和电阻R11，芯片U3的第3引脚和第2引脚连接电容C14的一端，电容C14的另一端连接芯片U3的第1引脚，芯片U3的第4引脚连接电阻R25的一端，电阻R25的另一端连接单片机U2的第13引脚，电阻R25和芯片U3的第4引脚之间并联电容C17和电阻R12，当置于芯片U3正上方的磁场发生变化时，芯片U3可以解析出X轴和Y轴上的变化并通过输出电压信号到单片机U2进行处理；

内部接口电路中，排针P1的第2引脚连接接地口GND，第3引脚连接电阻R26的一端，电阻R26的另一端连接单片机U2的第19引脚，第4引脚分别连接电容C19的一端、电容C18的一端和接地口GND，第5引脚分别连接电阻R14和电容C19的另一端，第6引脚分别连接电阻R13和电容C18的另一端，该内部接口电路用于将手柄58上芯片U1输出的电压信号和手柄58上安装的按钮开关7输出开关量信号输送到单片机U2上进行处理；

外部扩展口电路中，转接器J3的第1引脚分别连接电阻R15的一端和ESD二极管D1的一端，ESD二极管D1的另一端连接电阻R16的一端，电阻R15的另一端连接电阻R16的另一端，电阻R16两端还并联电容C20，电容C20的一端连接运算放大器U4B的第5引脚，运算放大器U4B的第6引脚和第7引脚连接单片机U2的第14引脚，转接器J3的第2引脚分别连接电阻R17的一端和ESD二极管D2的一端，ESD二极管D2的另一端连接电阻R18的一端，电阻R17的另一端连接电阻R18的另一端，电阻R18两端还并联电容C21，电容C21的一端连接运算放大器U4A的第3引脚，运算放大器U4A的第1引脚和第2引脚连接单片机U2的第16引脚，转接器J3的第3引脚和第9引脚分别连接ESD二极管D4的两端，转接器J3的第3引脚分别连接电阻R19的一端和ESD二极管D3的一端，ESD二极管D3的另一端连接电阻R20的一端，电阻R19的另一端连接电阻R20的另一端，电阻R20两端还并联电容C22，电容C22的一端连接运算放大器U4D的第12引脚，运算放大器U4D的第13引脚和第14引脚连接单片机U2的第15引脚，转接器J3的第6引脚连接接地口GND，转接器J3的第7接口分别连接电阻R21和电容C24，电阻C24两端并联ESD二极管D6，转接器J3的第8引脚分别连接电阻R22和电容C25，电容C25两端并联ESD二极管D7，转接器J3的第10引脚分别连接电阻R23和电容C26，电容C26两端并联ESD二极管D8，该外部扩展口电路扩展了3路模拟量和3路开关量，其中输入的3路模拟量分别通过运算放大器U4A、U4B和U4D分压后输送到单片机U2进行处理，转接器J3还可实现手柄控制器功能的切换，当第5引脚和第6引脚未短接时，手柄控制器实现标准游戏手柄功能，当第5引脚和第6引脚短接时，手柄控制器实现鼠标功能，同时扩展口的电源端、3路模拟量和3路开关量都有ESD二极管进行保护，通过该外部拓展口电路，手柄控制器可以与其他诸如旋钮、指拨轮、开关甚至另一个手柄控制器等元件连接而组成一个控制组件，实现更加复杂的控制功能。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。