|
移動電話的銷售量每年都達到上億部，雖然新用戶是重要市場，但這些銷售量的大部分來源是將其已有移動電話升級為帶有最新功能的新電話的用戶。移動電話制造商和業務供應的生存問題取決于在原有常規功能的基礎上提供新的“必備”功能的能力。業務供應商需要這些新功能帶來的增值業務以提高其收益（照相手機即是一個很好的例子——照相手機用戶通過業務供應商的無線網絡給他們的朋友發送圖片或視頻，從而為業務供應商帶來重要的積極收入），同時移動電話制造商需要定期地更新他們具有新功能的系列產品以防止他們的產品過于商業化。 使用MEMS加速度計的運動檢測技術能提供許多新功能，包括增強移動電話可用性、可靠性和允許啟動的新功能。確實，一旦手持中裝有加速度計這種硬件，只要簡單地增加軟件便可實現其幾種新的功能。本文將介紹移動電話幾種新功能并解釋其工作原理。本文也討論在每一個應用中起重要作用的器件性能。 應當注意的是，本文中提到的一些應用和（或）算法可能受專利權保護。這里對它們的介紹僅為教學目的。建議讀者在將這些技術用于產品設計之前尚需付出努力。 手勢識別 手勢識別是一種用于描述如何使用動作（或手勢）將命令輸入到電話的包羅萬象的短語。有許多種類型可能對檢測有興趣的手勢識別；例如拿起振鈴電話、清除誤操作鍵或者設置電話振鈴類型僅是下面將要介紹的兩個例子。 雖然手勢識別可有助于使人機界面更加直覺，但是通常最好將手勢識別的數量限制到少于五或六種。這樣用戶能夠容易記住幾種手勢的含義，但是如果必需通過難以接受的學習才能掌握許多手勢則是失敗的。請記住：我們的目標是使移動電話更加容易使用。 拿起電話檢測 實際上最好的手勢識別系統采用用戶根本不用學習的自然動作。一個很好的例子就是拿起振鈴電話。雖然人們已經習慣于按“發送（send）”按鈕接聽電話，但是拿起電話并且將它移到耳邊則更加直覺。通過使用加速度計，當感覺到移動電話在響鈴后就已經啟動了正在被移動的手機。拿起電話移到耳邊所產生的運動信號可被加速度計檢測到并且被微控制器中斷。 如圖1所示，在各種情形下每一個人拿起電話所產生的運動流程極其相似。這種類型的運動（當運動加速度在瞬時之后減速到零并且它的位置發生變化，正如由15 cm～100 cm范圍內的兩位整數確定的位置變化）相當普遍，所以當電話振鈴時產生的這種運動幾乎確定地表示拿起電話。這個概念是可靠的手勢識別的關鍵因素之一：使用前后關系有助于理解動作的可能含義。 圖1. 移動電話放到你的耳邊時的典型加速度波形。 利用一只±2g測量范圍的三軸加速度計對于上述應用已經足夠。在這種情況下對加速度計的性能要求是相當適度的。由于加速度計輸出經過高通濾波（最可能由軟件完成）以濾除由于傾斜引起的加速度，所以在零加速度（0 g）處的準確度和穩定性并不重要。其有用帶寬為1 Hz～50 Hz。低噪聲（＜350μg/√Hz）性能對于將積分誤差降至最小是很有益處的。 搖晃清除 移動電話鍵盤已經如此小而密集以至于誤按按鍵的現象非常普遍，這讓用戶很氣惱。因此開發了諸如語音撥號的功能以方便用戶撥號，但此項功能似乎并未被用戶意識到。由于不可能采用更大的鍵盤（因為每個人都需要小巧的移動電話），因此使用戶盡可能容易地修正誤按按鍵的做法似乎是明智之舉。 例如長達半秒左右地猛力搖晃移動電話的簡單手勢可用來清除最后輸入的數字。更長時間的搖晃可用來清除最后輸入的完整字符串。此外，移動電話會對該動作做出很自然的響應，并且為了使該算法更具魯棒性，設計工程師可利用鍵盤使用指示來查找“清除”手勢。 在搖晃清除應用中，由于人搖晃在每一個坐標軸向上都會產生加速度，除非某人非常細心地僅在一個軸向上搖晃，所以使得單軸或雙軸加速度計對于該應用已足夠。同樣地，對加速度計性能的要求也是適度的，因為它使用了高通濾波器。在搖晃時，實際的加速度可能高達±10g，但是±2g測量范圍已足夠用了，因為削波不會負面地影響搖晃探測算法。 環境感知 通過掌握移動電話的使用環境（或前后關系），移動電話會更加方便地使用。其中一個例子就是振鈴控制。實際上，所有的移動電話都有可聽得見的振鈴器，也有非常適合于振動模式的振動器。許多情形下，用戶可能傾向于使用某一種模式。這種移動電話能夠向用戶提供有關振鈴和振動功能的參數選擇。例如： * 如果移動電話放在餐桌或書桌上，那么無需使用振動模式，所以只能選擇振鈴模式。 * 在開會或進餐時，用戶可能不希望被打擾。將移動電話正面向下放在餐桌或書桌上，用戶選擇靜音模式，在這種情況下振鈴器或振動模式都不能選擇。 * 如果移動電話放在衣袋中，智能使用振動模式。 雖然上述這些模式中的每一種都能通過手工鍵入（使用鍵盤操作），但是如果有自動設置工作模式的移動電話就會更加方便。可用一只加速度計測定移動電話的方位，不論它是否放在餐桌或書桌上。因此移動電話能夠自動地確定所需要的振鈴模式。 可使用一只三軸加速度計測量移動電話的方位。書桌或餐桌表面非常穩定的，實際上它總是與地球表面幾乎平行。因此放在書桌上的一部移動電話只有一個軸向的加速度大約為-1g，而其它兩個方向幾乎為零（魯棒性算法允許測量值在-1g或0附近有一個允許誤差以便與水平位置的微小偏差或由溫度引起的微小0 g點漂移不會影響算法）。同時該加速度計還可測量放在堅固桌面上一動電話的微小振動。 同理，“移動電話正面向下”可以根據單軸向振動的方法確定，即其中有一個適當的軸向（該軸取決于手機中加速度計如何裝配）的加速度為1 g而其它兩個軸向的加速度幾乎為零。衣袋中的移動電話受到的振動和移動很多，所以它根本不可能處于一個與地表平行的平面。放在桌上和衣袋里（用戶坐在椅子上）的裝配ADXL330的移動電話的典型波形圖如圖2所示。顯而易見，這兩種情形只根據噪聲輸出的差別就能區分，即使有微小的移動。 圖2. 桌面上的手機與口袋中的手機軸向加速度的測量結果。 在環境感知應用中需要測量范圍大于±1.2g的三軸加速度計。當測量手機的絕對傾角時，要求加速度計有好的0 g點性能，特別是0 g點隨溫度變化的穩定性（1 mg/°C應足夠）。還要求低噪聲性能（＜350μg/√Hz ）以便容易區分移動電話是位于衣袋中還是桌面上。 對于拿起電話檢測或搖晃清除功能，僅當特定事件發生時（電話振鈴或鍵盤輸入）才可能開啟加速度計。因此很低功耗是用戶所希望的，但不是必需的。然而對于設置成振鈴模式的加速度計，大部分時間都處于開啟狀態，所以非常低的功耗工作是至關重要的。像ADI公司的ADXL330三軸加速度計，其功耗電流僅為200 μA (Vs = 2V)，因此不會過分地降低電池工作壽命。 光標或游戲機控制 加速度計可作為控制系統光標的輸入或者游戲機的輸入。左右傾斜或前后翻倒移動電話可左右或上下移動屏幕上的光標。這種功能是大家熟知的并且已被集成到幾個獨立的游戲機（例如任天堂公司的滾滾卡比游戲）和游戲控制器（例如微軟公司的Freestyle. Pro控制器）中。跳躍動作還引入了第3個軸（Z軸）。與大多數移動電話中采用的標準8位置控制不同，加速度計能提供可變的（模擬）控制。用戶手機傾斜得越大，光標移動速度越快。由于采用傾斜作為一種模擬信號輸入并且與電話鍵盤輸入方式相結合，所以可用一只手完成復雜的輸入組合。 由于移動電話的初始位置可能位于任何方向（例如，用戶可能處于平躺狀態），因此游戲通常通過某一按鍵將光標位置設置在屏幕中間位置。從初始位置開始，移動電話可用X軸或Z軸（假定X軸沿電話的長度方向，Z軸沿電話的厚度方向）控制選擇上下方向。因為每次啟動游戲或光標控制時其初始位置都被復位，所以無需精確的0 g性能。 本應用中加速度計的關鍵指標是至少±1.2 g的測量范圍。要求低噪聲性能（＜500μg/√Hz ）以便防止當移動電話放在穩定的桌面上時出現光標抖動。0～50 Hz帶寬比較合適（較窄的帶寬低會使游戲出現遲緩）。由于游戲不會連續地玩，所以很低的功耗固然非常有利，但是不完全必需。 動態顯示配置 通常，移動電話的顯示采用人物模式。大多數計算機產生的文件（網頁等）都采用景物模式。加速度計通過測量重力矢量能夠確定手機是處于垂直方位還是水平方位（如果手機處于水平方位，還需要確定其水平的兩個可能方位）。如果知道了手機的位置，就可以重新配置它的顯示模式以便顯示器總是保持正面朝著用戶。 在動態顯示配置應用中，最重要的要求是低功耗，因為無論顯示器是否打開加速度計總是處于開啟狀態。帶寬通常設置為小于1 Hz（通過軟件濾波）以便不會因隨機振動而引起顯示晃動。 導航 集成的全球定位系統（GPS）或基站的三角網能用來確定移動電話的位置。但是利用現有的這種小顯示屏，對于用來完整顯示用戶前面的環境是非常有利的。正常情況下采用電子式指南針確定機首方位，但是指南針必須與地球表面保持平行以便機首方位誤差最小。這種誤差依賴于到地球的地磁赤道的距離變化。例如在北京，指南針與地球表面平行方向每偏離1度（°），會導致3°的機首方位誤差。當用戶使用移動電話時，指南針可能傾斜與水平方向成45°，從而會產生很大的機首方位誤差。可使用加速度計能用來確定手機（和指南針）相對地球表面的實際方位以補償這種誤差。 導航應用中加速度計的關鍵指標是高0 g偏置以及高靈敏度準確度和穩定性。其總誤差應小于50 mg以便減小機首方位誤差達到合理值。 計步器 在我們的健康意識日益提高的世界，實際上存在著采用各種靈巧器械的運動模式。為移動電話增加一片計步器——你幾乎走到哪里都攜帶的一片精巧的便攜式電子設備，是一種顯而易見的應用。用戶可以測量他們已經走了多遠并且已消耗了多少卡路里能量。在當今市場上確實有幾款這種功能的手機。 雖然加速度計可以很容易地完成計算行走的步數，然而由于步長因人而異（大約相差±30%）并且檢測結果也取決于人的行走速度（通常誤差大于±25%），所以不能精確檢測出在經過的距離內的行走步數。但是通過實際測量移動電話（在衣袋中或掛在腰帶上）所經歷的加速度可以對經過的距離做出非常好的估計。公共領域已有算法可保證步進計數器的精度優于95%，行走距離的精度優于90%（請見ADI公司關于該算法的應筆記AN-602）。 計步器要求加速度計具有很低的功耗（因為加速度計實際上總是處于開啟狀態）和至少±2 g的測量范圍。 磁盤驅動器保護 因為移動電話集成了數百萬象素的照相機、MP3播放器以及其它的密集數據存儲功能，所以它們正在越來越多地轉向微磁盤驅動器進行數據存儲。如果沒有可用的空氣動力緩沖以防止磁頭撞擊磁性介質，這些微驅動器對機械撞擊很敏感。因此可采用一只加速度計來檢測手機是否跌落，如果跌落便產生一個驅動信號以便在手機撞擊地面之前鎖定其讀寫磁頭停在一個安全位置。 最明顯的工作原理是通過測量三個軸向的加速度的矢量和來確定手機所處的狀態。如果該矢量和接近于零，則該手機一定處于自由落體狀態。這種方法只有在嚴格控制的下降過程中才能很好地工作——處于無旋轉的狀態。實際上這種方法并不能很好地工作，因為手機旋轉產生的向心力會影響算法造。現已有多種其它比較復雜的自由落體檢測算法。其中一些算法僅需要一只雙軸加速度計即可完成。 手機跌落檢測要求加速度計的功耗非常低，因為其微驅動器總是處于開啟狀態。它需要測量范圍至少為±1.5 g的兩軸或三軸加速度計，具體取決于所用的算法。 結束語 使用一只加速度計為移動電話增加運動檢測功能，從而允許移動電話設計工程師能以低成本集成許多有用的功能。現在可提供實現幾種功能的參考設計以便促進將其整合到移動電話設計中。本文提到的僅是部分應用，目前市場上正在提供許多其它的應用，甚至更多的應用還蘊育在聰明的設計工程師的創造之中。 |
