操纵杆工作原理

文章摘要：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。 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

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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。

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。

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