操纵杆工作原理

操纵杆工作原理

引言

操纵杆为我们表演了一个非常巧妙的戏法，它将纯粹的物理动作（手部的运动）完完全全地转换成数学形式（一连串0和1所组成的计算机语言）。优秀的操纵杆可以完美地实现这种转换，让您丝毫察觉不出其中的奥妙。当您真正投入到游戏中时，您会觉得自己完全置身于虚拟世界中。

在本文中，您将会了解到一些常见的操纵杆是如何在设计上实现这种转换的。正如您下文中将会看到的，从最初的游戏控制台设计到现有的复杂的“作用力反馈”模型，操纵杆技术已经向前迈进了一大步。

操纵杆的基本原理

操纵杆的基本原理是将塑料杆的运动转换成计算机能够处理的电子信息。操纵杆已在各种机械设备上得到应用，包括F-15 喷气式战斗机、挖掘机和轮椅。本文将重点介绍计算机操纵杆，不过，其他类型的操纵杆运作的基本原理与此相同。

不同操纵杆技术的差别主要体现在它们所传送的信息的多少。许多早期游戏控制台中的最简单的操纵杆只不过是一个特殊的电子开关。

这种基本的设计包括一个安放在带有弹性橡胶外壳的塑料底座上的操纵杆。在底座中操纵杆正下方位置装有一块电路板。电路板由一些“印刷线路”组成，并且这些线路连接到几个接触触点。然后，从这些触点引出普通电线连接到计算机。

早期的Atari操纵杆

印刷线路构成了一个简单的电路（该电路由一些更小的电路构成）。这些线路仅仅将电流从一个触点传送到另一个触点。当操纵杆处于中间位置时，也就是当您还未将操纵杆推向任何一边时，除了一个电路之外的所有其他电路均处于断开状态。由于每条线路中的导体材料并没有完全连接，因此电路中没有电流通过。

每个断开部分的上方覆盖着一个带有小金属圆片的简单塑料按钮。当您朝任一方向移动操纵杆时，操纵杆便会向下挤压其中的一个按钮，使导电的金属圆片接触到电路板。如此一来，就可以闭合电路，完成两个线路部分的连接。电路闭合之后，电流就会从计算机（或游戏控制台）沿着一条线路流过，穿过印刷线路，通过另外一条线路返回计算机（或游戏控制台）。

操纵杆的运动

当计算机检测到特定线路上的电流后，便会了解操纵杆当前所处的位置需要接通相关的电路。向前推操纵杆将会闭合“前进开关”，而向左推则会闭合“左移开关”，依次类推。在某些设计中，计算机还能在操纵杆闭合两个开关时识别出对角线位置（例如，同时闭合前进开关和左移开关意味着向左前方的对角线运动）。开火按钮的原理完全一样：当您按下按钮时，意味着将闭合一个电路，计算机也就可以识别出开火命令。

开关设计上的两种变型：在这两种变型中，操作杆 的运动都闭合可移动金属触点。

这种设计以类似速记的方式传送操纵杆的运动，它以绝对值而非细微变化的形式来处理运动。换句话说，它并不能区分向前轻推操作杆的动作和将操作杆向前一直推到头的动作，对它来说两者传送的都仅仅是一个表示向前进的数值。

对某些游戏而言，这种思路是好的，甚至是无可挑剔的。例如，对Pac Man或Tetris而言，这种设计已经很完美了。但对于其他游戏，如模拟飞行而言，这种设计存在相当大的局限性。在下一节中，我们将了解到能够检测到细微位移的传统模拟操纵杆设计。

操纵杆设计

为了向计算机传递完整的运动过程，操纵杆需要测量其在两个轴上的位置：X轴（从左到右）和Y轴（自上到下）。与在基础几何学中一样，X-Y坐标系精确地标明了操纵杆所在的位置。

在标准的操纵杆设计中，游戏手柄移动一个安装在两根可旋转开槽轴中的窄棒。前后扳动操纵杆将使Y方向轴从一侧转动到另一侧。左右扳动操纵杆将使X方向轴转动。沿对角线移动操纵杆时，则会使两个轴同时转动。当您松开操纵杆时，几个弹簧会将操纵杆弹回中央位置。

操纵杆控制系统仅需监视每一个轴的位置就能确定操纵杆的位置。传统的模拟操纵杆通过两个分压器或可变电阻来达到上述目的。下图显示了一个典型的布局。

操纵杆的分压器

每个分压器由一个卷曲导轨形式的电阻和一个可移动的触臂组成。计算机电源的电流从输入端开始，通过卷曲的电阻和触臂，流回计算机的操纵杆端口。

沿着导轨移动触臂，可以增大或减小作用于流经此电路的电流的电阻值。如果触臂位于与分压器输入连接端相对的另一端，电流将流经整个长度的电阻，因而电流遇到的电阻最大。如果触臂靠近输入端，则分压器的电阻最小。

每个分压器连接到操纵杆的一个轴，因此转动轴将会移动触臂。也就是说，如果将操纵杆向前推动到头，则会将分压器触臂移动到导轨的一端，如果向胸前回拉操纵杆，则将触臂向另一方向移动。

改变分压器的电阻值可以改变接入分压器的电路中的电流。通过这种方式，分压器先将操纵杆的物理位移转换成电信号，再将信号传递到计算机上的操纵杆端口。

此电信号完全是模拟信号，是一种包含信息的变化的波形，就像无线电信号一样。为了利用这种信息，计算机需要将其转换成数字信息，即精确的数值。

操纵杆的数字化

在传统的系统中，计算机内部的卡（印刷线路板）通过使用非常粗糙的模数转换器完成这个任务。其基本思路是利用每个分压器引起的电压变化为电容充电，电容是一个简单的储存电荷的电子元件（有关更多信息，请参见电容器工作原理）。调节分压器使电阻值越大，电容充电的时间越长；分压器电阻值越小，电容充电速度越快。

先将电容放电然后再计算电容充电所需的时间，通过这个方式转换器以此确定分压器的位置，从而确定操纵杆的位置。测量到的充电速率是计算机可以识别的数值。当计算机需要读取操纵杆位置时，便会执行此操作。

将分压器连接到旋转的部件，可以将这种系统应用到各种控制系统中。例如，传统的方向盘的工作原理即是如此，通过方向盘直接转动分压器触臂。一些操纵杆还使用一个对应于Z轴的分压器，Z轴由操纵杆自身的转动来带动。

方向盘和踏板控制系统的工作原理与传统操纵杆相同。

一些操纵杆还带有一个“大高帽”（操纵杆顶部的一个用拇指操控的微型控制器）。这种小型操纵杆使用了与上一节中介绍的简易操纵杆相同的开关系统。

传统的模拟系统总体上可以很好地工作，但确实存在一些限制。在下一节中，我们将探讨模拟系统的主要弊端并了解一些最新的解决方案。

Flighterstick是CH Products生产的一种现代的可编程USB操纵杆，它采用了真实喷气式战斗机上使用的相同的“手不离杆”(HOTAS)系统——各种按钮都有其独特的形状和纹理，一摸就可以识别出来。

在传统的系统中，计算机内部的卡（印刷线路板）通过使用非常粗糙的模数转换器完成这个任务。其基本思路是利用每个分压器引起的电压变化为电容充电，电容是一个简单的储存电荷的电子元件（有关更多信息，请参见电容器工作原理）。调节分压器使电阻值越大，电容充电的时间越长；分压器电阻值越小，电容充电速度越快。

先将电容放电然后再计算电容充电所需的时间，通过这个方式转换器以此确定分压器的位置，从而确定操纵杆的位置。测量到的充电速率是计算机可以识别的数值。当计算机需要读取操纵杆位置时，便会执行此操作。

将分压器连接到旋转的部件，可以将这种系统应用到各种控制系统中。例如，传统的方向盘的工作原理即是如此，通过方向盘直接转动分压器触臂。一些操纵杆还使用一个对应于Z轴的分压器，Z轴由操纵杆自身的转动来带动。

CH Products 供图 方向盘和踏板控制系统的工作原理与传统操纵杆相同。

一些操纵杆还带有一个“大高帽”（操纵杆顶部的一个用拇指操控的微型控制器）。这种小型操纵杆使用了与上一节中介绍的简易操纵杆相同的开关系统。

传统的模拟系统总体上可以很好地工作，但确实存在一些限制。在下一节中，我们将探讨模拟系统的主要弊端并了解一些最新的解决方案。

CH Products 供图 Flighterstick是CH Products生产的一种现代的可编程USB操纵杆，它采用了真实喷气式战斗机上使用的相同的“手不离杆”(HOTAS)系统——各种按钮都有其独特的形状和纹理，一摸就可以识别出来。

传统模拟操纵杆系统的难题

传统的模拟操纵杆系统存在几个大的难题。首先，该系统没有一个真正的数模转换器，粗糙的数模转换处理不是非常精确。这在一定程度上降低了操作杆的灵敏度。

其次，计算机主机专门分配出大量的处理能力来定期“轮询”操纵杆系统以确定操纵杆的位置。这就使得处理其他操作的能力下降了。

接下来，让我们看看目前设计者是如何解决这些问题的。

新的操纵杆部件

操纵杆制造商采用了几种不同的方法来解决这些问题。一种解决方案就是在专用的游戏适配卡或操纵杆自身中增加一个灵敏的数模转换芯片。在这个系统中，转换器直接向计算机传送数字信息，从而提高了操纵杆的精确度并减轻了主机处理器的工作。这些新的操纵杆模型通常连接到USB端口，这也可以提高速度和可靠性（有关详细信息，请参见USB端口工作原理）。

另一个解决方案就是完全放弃模拟分压器技术。一些最新的控制器采用光学传感器以数字方式读取操纵杆的运动位置。下图显示了一种常见的系统

在这个系统中，两个轴连接到两个开槽轮盘。每个轮盘都位于两个发光二极管(LED)和两个光电池之间（为方便起见，图中仅显示了一对光电池和发光二极管）。当每个LED发出的光透过一个槽孔时，轮盘另一侧的光电池就会产生微弱的电流。当轮盘轻微转动时将阻挡住光线，此时光电池不会产生电流（或者产生的电流很小）。

轴旋转时将带动轮盘转动，移动的槽孔会反复阻挡射向光电池的光束。这使得光电池产生高速电流脉冲。根据光电池产生的脉冲数量，处理器就能知道操纵杆移动的距离。通过比较来自监测同一个轮盘的两个光电池的脉冲图，处理器可以计算出操纵杆移动的轨迹。许多计算机鼠标也采用了同样的基本系统。（有关更多信息，请参阅电路参考文献。）

操纵杆发展历程中最大的亮点之一就是作用力反馈技术。在下一节中，我们将介绍这些操纵杆是如何让你在一个新的层次上体验游戏乐趣的。

作用力反馈操纵杆

作用力反馈操纵杆（也称触觉反馈操纵杆）的基本思路是将操纵杆的运动与屏幕上的动作联系起来。例如，您在战斗游戏中用机关枪扫射时，操纵杆会在您的手中震动。或者，如果您的飞机在飞行游戏中坠毁了，操纵杆会猛然向后推。

作用力反馈操纵杆的大部分组件与普通的操纵杆相同，只是增加了几个重要组件：一个板载微处理器、几台电动机以及一个齿轮传动系统或皮带传动系统。下图显示了一种简单设计。

与操纵杆相连的X方向轴和Y方向轴均与皮带轮接合在一起。每根轴的皮带的另一端与一个电动机的转轴接合在一起。在这个机构中，旋转电动机轴将移动皮带，从而带动方向轴转动；转动方向轴也将移动皮带，从而带动电动机转轴旋转。皮带的作用是传递和放大从电动机到方向轴的作用力。

板载处理器和操纵杆的物理运动产生的电信号都会使电动机轴旋转。这样，甚至在电动机移动操纵杆的同时，您仍然可以移动操纵杆。

在电动机的另一端，其转轴与操纵杆的位置传感器（如分压器或者光学传感器）相连。只要操纵杆发生移动，无论这种移动是由电动机引起的还是游戏者引起的，传感器都可以检测出操纵杆的位置。

操纵杆有一个内置的ROM芯片用来存储各种电动机动作序列。例如，其中可能会有一个机关枪动作序列要求电动机快速地改变方向，或一个火箭筒动作序列要求电动机突然来回移动操纵杆。游戏软件请求特定的序列，计算机将请求传输到操纵杆的板载处理器上，处理器然后从自身的存储器中读取相应的数据。这种方式减轻了计算机的工作负荷，并有利于提高反应速度。

随着操纵杆技术的不断发展，制造商会逐渐地将作用力反馈技术提高到一个全新的水平。这对于游戏发烧友来说无疑是个令人振奋的消息，当然，它也可能会给其他人的生活带来很大影响。作用力反馈控制器技术将会在工业机械、轮椅和其他残疾人设备，甚至是医疗护理领域带来重大变革。相关研究人员也在不断开发作用力反馈控制器，以便人们在网上冲浪的同时也能感受到来自互联网的震撼。

作用力反馈技术可能的应用领域是无限的！将来，操纵杆将会像现在的计算机键盘一样无处不在。

有关操纵杆的前景及其现在和过去的操纵杆技术的更多信息，请查看下一页上的链接。