觸摸振動反饋模擬教學實驗平臺設計與實現

摘" 要：設計并實現基于國產GD32 MCU的觸摸振動反饋模擬教學實驗平臺。該平臺采用GD32 MCU通過RS232串口接收觸摸屏的點擊觸摸動作，通過控制微型線性振動電機的運動對觸摸后的手感效果進行模擬。同時，研究PWM頻率、占空比、持續時間等不同控制參數對觸覺反饋模擬效果的影響。教學實驗平臺具有知識點綜合性好、小型化、實驗效果易于體驗，可以用于電工電子類課程的課堂演示實驗、本科課程設計、學生創新實踐等教學環節。

關鍵詞：觸摸振動反饋；線性振動電機；MCU；教學實驗平臺；設計與實現

中圖分類號：TN709" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0045-04

Abstract： A touch vibration feedback simulation teaching platform has been designed and implemented based on the domestic GD32 microcontroller unit（MCU）. This platform utilizes the GD32 MCU to receive touch actions from the touchscreen via the RS232 serial port. By controlling the motion of a miniature linear vibration motor， it simulates the tactile sensation after touch. Additionally， the impact of different control parameters have been investigated， such as PWM frequency， duty cycle， and duration， on the effectiveness of tactile feedback simulation. The teaching platform exhibits good integration of key concepts， compact size， and an easy-to-experience experimental effect. It can be used for classroom demonstration experiments in electrical and electronic courses， undergraduate course design， and student innovation practices.

Keywords： touch vibration feedback; linear vibration motor; MCU; teaching experimental platform; design and implementation

電工電子技術是一門面向北京航空航天大學本科非電專業開設的工程技術基礎課程。每學年約有來自10個學院的1 200名學生參加課程的學習。課程教學內容涵蓋了電路分析基礎、電機與電氣控制、模擬電子技術和數字電子技術等諸多內容，既有基礎理論的講解，又包括基本工程應用技術。傳統的課堂講授方式都是圍繞知識點展開，與實際工程應用、日常生活場景結合不夠緊密，學生往往覺得所學內容抽象、難學、難懂，而且不知道如何應用所學的工程基礎知識和技能解決實際問題，難于激發學生學習的源動力。為了彌補這些不足，在教學實踐中也在不斷充實、補充一些工程應用的典型實例或案例[1]。

特別是伴隨著電子技術、嵌入式和FPGA技術的發展，體積小巧的“口袋實驗室”[2]逐漸被引入教學，由于這種“口袋實驗室”看得見、摸得著，所以取得了不錯的教學效果。但是，這類“口袋實驗室”絕大多數都是針對實驗課教學[3]，實現的具體實驗功能和教學內容也還是局限于基礎數字電路功能的展示和復現[4]，與工程實踐和日常生活場景融合度差，而且缺乏綜合性、新穎性和思政元素。

為了解決上述問題，進一步提高電工電子技術課程的課堂教學效果，提升教學案例和實例的質量，促成與學生的積極互動，自主設計開發了一種基于國產GD32 MCU的模仿手機觸摸振動反饋體驗的微小型教學實驗平臺。平臺既可以用于開展電工電子技術課程課堂演示實驗教學，又可以用于課程設計和學生創新實踐，具有很好的拓展性。教學實驗平臺綜合性好，平臺可以綜合演示數字電路接口、電機原理、功率放大電路、濾波電路、數模轉換、MCU基礎等電工電子技術課程中典型的教學內容。

整個實驗平臺采用了嵌入式技術開發，體積小、重量輕，便于授課教師攜帶和靈活地開展課堂演示實驗教學。同時，教學實驗平臺采用了兆易創新科技集團股份有限公司的國產化MCU（GD32E230）進行設計和開發，這是一款自主設計、開發、生產的單片機，在智能儀器、智能家電、工業控制和物聯網領域有著廣泛的應用。

另外，相比于傳統的工業控制類案例、家用電器類案例，觸摸振動反饋[5]是近十幾年新興的一門技術，在人機交互、工業控制、消費娛樂類電子產品中應用日趨廣泛。平臺主旨模擬的觸摸振動反饋源于學生日常使用的手機振動功能以及手游的振動反饋，學生們均有過親身體驗，與學生日常生活貼合非常緊密。這種源于日常生活中常用電子產品的教學實驗平臺，易于激發學生的探究意識和自主學習的動力。

1" 總體組成與工作原理

教學實驗平臺組成如圖1所示，以觸控屏（4.3英寸）作為人機交互的設備，在觸控屏背面安裝有線性振動電機和驅動板。同時，觸控屏運行用戶交互界面，可以顯示按鈕、滾輪等圖形化交互元素。當用戶手持觸控屏并點擊屏幕按鈕或拖動滾輪后，觸控屏便會將點擊動作信息通過RS232串口發送給MCU控制板。MCU控制板通過RS232串口接收數據，并按照預先指定的通信協議識別動作類型，而后發出對應模式的PWM控制信號給線性振動電機和驅動板，進而由功率驅動模塊控制線性振動電機產生振動動作。此時，用戶手部便會感受到點擊屏幕按鈕或拖動滾輪后實驗平臺給出的模擬振動反饋。

教學實驗平臺實物安裝結構如圖2所示，觸控屏背面依次安裝有線性振動電機和驅動板、MCU控制板，總體尺寸寬度120 mm，深度80 mm，高度35 mm。采用這種疊層安裝的方式，可以使得結構緊湊、體積尺寸小巧，非常便于隨身攜帶以及在課堂教學中使用。

2" MCU選型

MCU是振動反饋模擬的控制中心，各種不同振動反饋模式底層均是通過MCU編程控制發出不同模式的PWM信號來實現的。MCU的選型要從工程實現角度考慮技術先進性和性價比，更為重要的是選型還要綜合考慮與電工電子技術課程知識點的關聯性和貼合度，易于學生理解和學習。

綜合以上考慮因素，教學實驗平臺使用的MCU選用了兆易創新科技集團股份有限公司的國產化ARM Cortex-M23系列MCU，具體型號為GD32E230K8T6。該型號產品為國產化自主設計，采用110 nm工藝生產MCU。該型號MCU最大主頻72 MHz，采用LQPF-32封裝，程序 FLASH容量64 kB，RAM容量8 kB，GPIO最大端口數量25個，最多10個12 bit ADC外部采集通道，更為重要的還包括1個16 bit PWM專用通道。

GD32E230K8T6是入門級的MCU，管腳數相對較少、功能復雜度低，作為實例易于引入開展教學。例如：GD32E230K8T6中GPIO結構原理可用于電工電子技術課程門電路及接口、觸發器、數據選擇器、譯碼器、AD/DA原理、微處理等知識點的教學案例；PWM通道可用于功率放大電路知識點的教學案例；時鐘電路部分可用于自激振蕩電路原理的教學案例等。另外，在半導體器件制造工藝、晶體三極管、絕緣柵場效應管等知識點講解中也可以作為教學實例。

3" 線性振動電機

傳統的觸摸振動效果通常是電機帶動偏心軸旋轉而產生的效果[6]。區別于這種旋轉離心方式產生振動，實驗平臺選用了微型線性振動電機產生振動效果。這種線性振動電機的典型代表是在蘋果手機中廣泛應用的Taptic Engine。線性振動電機不僅可以產生振動，還能較為精確地控制振動的振幅和頻率，從而產生強弱分明且十分安靜的振動效果，觸摸反饋也會更加靈敏。平臺中選了拆解下來的Taptic Engine線性振動電機，本體長度34 mm，厚度2.6 mm，寬度10 mm，重量4.6 g。

線性振動電機內部結構如圖3所示。線性振動電機采用了平面電機的結構形式，相當于將傳統電機沿徑向展開后再平鋪。線圈通電后產生磁場，吸引永磁體克服彈簧力橫向運動；線圈斷電后永磁體在彈簧力的作用下復位。如此周期反復給線圈通電、斷電，便可以產生振動效果。這種工作原理可以引入電工電子技術課堂教學，作為課程中電機與電氣控制知識點教學中的一個拓展案例和討論的實例，使學生開闊視野接觸到最先進的技術，進而有效激發、啟迪學生的創新思維。

4" 功率驅動模塊

功率驅動模塊主要用于接收MCU發出的PWM信號[7]，進行二次功率放大之后再驅動線性振動電機產生振動。此部分涉及的技術和電工電子技術課程中低頻功率放大電路部分的教學內容密切相關。在教學中，可以此部分為應用背景進行課堂討論或布置為課后的擴展作業，讓學生自主查閱資料設計、實現這部分的電路功能。

在教學實驗平臺中選用了D類功放[8]芯片AP3016D構建了功率驅動模塊，其與線性振動電機近距離安裝構成了如圖4所示的線性振動電機和驅動板。AP3016D為PWM調制的D類功放，輸入阻抗1 kΩ供電電壓8～24 V，驅動電流最大2 A。

5" 振動控制參數

MCU程序可以通過PWM信號的頻率f、占空比D、持續時間t來控制線性振動電機的運動狀態，從而模擬出不同的振動反饋效果。為了更為便捷地研究這3個參數的具體影響效果，觸控屏中開發運行了交互測試程序，該程序界面如圖5所示。界面中下部布置了3個滑動條，分別對應PWM信號的占空比D、持續時間t、頻率f、。當手動拖動滑動條改變位置時，即可通過RS232串口下發給MCU，MCU再通過換算公式得到改變PWM信號發送時這3個參數的具體數值，然后通過程序給線性振動電機和驅動板發送對應的PWM信號，以此產生振動反饋。用戶手持平臺，感受振動反饋效果，做出評價。

選取3個參數在實驗中的可變化范圍為：頻率f從10 Hz至500 Hz， 占空比D從5%至95%，持續時間t從0.05 s至3 s。當持續時間t為1 s時，頻率與占空比對振動反饋效果的影響見表1。

從實驗中可以看出，一定頻率范圍內（5～100 Hz）振動反饋的效果較好，脈沖振動清晰、手感跳動明顯，振動反饋的人體感受和PWM信號頻率有一定的相關性。PWM信號頻率越低更易獲得脈沖振動的反饋體驗，PWM信號頻率越高更易獲得連續脈沖振動的反饋體驗。

對于占空比D，則發現其對人體振動效果的影響不太顯著，低頻情況下增大占空比會獲得更強烈一些的振動反饋，但是脈沖振動的清晰度下降，人體綜合體驗一般。因此，推薦采用占空比小一些（lt;50%）的PWM信號進行振動控制。

關于持續時間t，持續時間小于0.1 s的刺激被體驗者視為敲擊或戳擊，而持續時間較長的刺激與漸強漸弱變節湊相結合時，則可能被視為流暢的觸覺表達效果[9]。事實上，有文獻指出驅動信號的振幅、頻率、包絡和節奏都是觸覺效果設計的有用變量，其中節奏影響最為顯著[10]。

實驗中實現了一種PWM脈沖串時間間隔遞減的變節奏控制方法（如圖6所示，Δt1gt;Δt2）。

每次發出3組PWM脈沖串，2組PWM脈沖串之間的時間間隔逐漸遞減。從實驗測試體驗來看，采用這種變節奏控制方法獲得了更具交互感與差異性的振動反饋體驗。因此，在實驗平臺教學應用中，可以將這個具體實驗作為一個工程創新的具體案例，以此為牽引向學生講授具體創新的方法和手段，啟發和激勵學生開發更多模式的變節奏控制方法，獲得更為豐富、更具個性化的振動反饋體驗。這對于培養學生的創新意識、創新方法具有重要的作用和意義。

6" 結束語

基于GD32 MCU的觸摸振動反饋模擬教學實驗平臺技術先進性好、便攜性好、拓展性強，更為重要的是平臺融入了諸多教學元素，與電工電子技術課程教學內容貼合度高，與學生的工程素質培養、創新能力培養關聯度高。因此，教學實驗平臺非常適用于課堂演示實驗、各類創新實驗和創新實踐等教學環節。

參考文獻：

[1] 何巍.案例教學在“電工與電子技術”課程中的應用[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2016（9）：116-118.

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[7] 仝林林.一種基于GD32F107VC的風扇控制板設計[J].電子測試，2022，36（13）：40-42，8.

[8] 丁朝君.一種便攜低噪聲D類功放的設計與實現[J].電聲技術，2023，47（7）：79-83.

[9] BREWSTER S， BROWN L M. Tactons： structured tactile messages for non-visual information display[C]//Proceedings of the 5th Australasian User Interface Conference，2004：15-23.

[10] CHOI S， KUCHENBECKER K J. Vibrotactile display： perception， technology， and applications[C]//Proceedings of the IEEE Sept，2013：2093-2104.