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基于MEMS的运动传感器在移动电话中的应用

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作者:Harvey Weinberg


移动电话的销售量每年都达到上亿部,虽然新用户是重要市场,但这些销售量的大部分来源是将其已有移动电话升级为带有最新功能的新电话的用户。移动电话制造商和业务供应的生存问题取决于在原有常规功能的基础上提供新的“必备”功能的能力。业务供应商需要这些新功能带来的增值业务以提高其收益(照相手机即是一个很好的例子——照相手机用户通过业务供应商的无线网络给他们的朋友发送图片或视频,从而为业务供应商带来重要的积极收入),同时移动电话制造商需要定期地更新他们具有新功能的系列产品以防止他们的产品过于商业化。

使用MEMS加速度计的运动检测技术能提供许多新功能,包括增强移动电话可用性、可靠性和允许启动的新功能。确实,一旦手持中装有加速度计这种硬件,只要简单地增加软件便可实现其几种新的功能。本文将介绍移动电话几种新功能并解释其工作原理。本文也讨论在每一个应用中起重要作用的器件性能。

应当注意的是,本文中提到的一些应用和(或)算法可能受专利权保护。这里对它们的介绍仅为教学目的。建议读者在将这些技术用于产品设计之前尚需付出努力。

手势识别
手势识别是一种用于描述如何使用动作(或手势)将命令输入到电话的包罗万象的短语。有许多种类型可能对检测有兴趣的手势识别;例如拿起振铃电话、清除误操作键或者设置电话振铃类型仅是下面将要介绍的两个例子。

虽然手势识别可有助于使人机界面更加直觉,但是通常最好将手势识别的数量限制到少于五或六种。这样用户能够容易记住几种手势的含义,但是如果必需通过难以接受的学习才能掌握许多手势则是失败的。请记住:我们的目标是使移动电话更加容易使用。

拿起电话检测
实际上最好的手势识别系统采用用户根本不用学习的自然动作。一个很好的例子就是拿起振铃电话。虽然人们已经习惯于按“发送(send)”按钮接听电话,但是拿起电话并且将它移到耳边则更加直觉。通过使用加速度计,当感觉到移动电话在响铃后就已经启动了正在被移动的手机。拿起电话移到耳边所产生的运动信号可被加速度计检测到并且被微控制器中断。

如图1所示,在各种情形下每一个人拿起电话所产生的运动流程极其相似。这种类型的运动(当运动加速度在瞬时之后减速到零并且它的位置发生变化,正如由15 cm~100 cm范围内的两位整数确定的位置变化)相当普遍,所以当电话振铃时产生的这种运动几乎确定地表示拿起电话。这个概念是可靠的手势识别的关键因素之一:使用前后关系有助于理解动作的可能含义。

图1. 移动电话放到你的耳边时的典型加速度波形
图1. 移动电话放到你的耳边时的典型加速度波形

利用一只±2g测量范围的三轴加速度计对于上述应用已经足够。在这种情况下对加速度计的性能要求是相当适度的。由于加速度计输出经过高通滤波(最可能由软件完成)以滤除由于倾斜引起的加速度,所以在零加速度(0 g)处的准确度和稳定性并不重要。其有用带宽为1 Hz~50 Hz。低噪声(<350μg/√Hz)性能对于将积分误差降至最小是很有益处的。

摇晃清除
移动电话键盘已经如此小而密集以至于误按按键的现象非常普遍,这让用户很气恼。因此开发了诸如语音拨号的功能以方便用户拨号,但此项功能似乎并未被用户意识到。由于不可能采用更大的键盘(因为每个人都需要小巧的移动电话),因此使用户尽可能容易地修正误按按键的做法似乎是明智之举。

例如长达半秒左右地猛力摇晃移动电话的简单手势可用来清除最后输入的数字。更长时间的摇晃可用来清除最后输入的完整字符串。此外,移动电话会对该动作做出很自然的响应,并且为了使该算法更具鲁棒性,设计工程师可利用键盘使用指示来查找“清除”手势。

在摇晃清除应用中,由于人摇晃在每一个坐标轴向上都会产生加速度,除非某人非常细心地仅在一个轴向上摇晃,所以使得单轴或双轴加速度计对于该应用已足够。同样地,对加速度计性能的要求也是适度的,因为它使用了高通滤波器。在摇晃时,实际的加速度可能高达±10g,但是±2g测量范围已足够用了,因为削波不会负面地影响摇晃探测算法。

环境感知
通过掌握移动电话的使用环境(或前后关系),移动电话会更加方便地使用。其中一个例子就是振铃控制。实际上,所有的移动电话都有可听得见的振铃器,也有非常适合于振动模式的振动器。许多情形下,用户可能倾向于使用某一种模式。这种移动电话能够向用户提供有关振铃和振动功能的参数选择。例如:

  • 如果移动电话放在餐桌或书桌上,那么无需使用振动模式,所以只能选择振铃模式。
  • 在开会或进餐时,用户可能不希望被打扰。将移动电话正面向下放在餐桌或书桌上,用户选择静音模式,在这种情况下振铃器或振动模式都不能选择。
  • 如果移动电话放在衣袋中,智能使用振动模式。

 
虽然上述这些模式中的每一种都能通过手工键入(使用键盘操作),但是如果有自动设置工作模式的移动电话就会更加方便。可用一只加速度计测定移动电话的方位,不论它是否放在餐桌或书桌上。因此移动电话能够自动地确定所需要的振铃模式。

可使用一只三轴加速度计测量移动电话的方位。书桌或餐桌表面非常稳定的,实际上它总是与地球表面几乎平行。因此放在书桌上的一部移动电话只有一个轴向的加速度大约为-1g,而其它两个方向几乎为零(鲁棒性算法允许测量值在-1g或0附近有一个允许误差以便与水平位置的微小偏差或由温度引起的微小0 g点漂移不会影响算法)。同时该加速度计还可测量放在坚固桌面上一动电话的微小振动。

同理,“移动电话正面向下”可以根据单轴向振动的方法确定,即其中有一个适当的轴向(该轴取决于手机中加速度计如何装配)的加速度为1 g而其它两个轴向的加速度几乎为零。衣袋中的移动电话受到的振动和移动很多,所以它根本不可能处于一个与地表平行的平面。放在桌上和衣袋里(用户坐在椅子上)的装配ADXL330的移动电话的典型波形图如图2所示。显而易见,这两种情形只根据噪声输出的差别就能区分,即使有微小的移动。

图2 桌面上的手机与口袋中的手机轴向加速度的测量结果
图2 桌面上的手机与口袋中的手机轴向加速度的测量结果

在环境感知应用中需要测量范围大于±1.2g的三轴加速度计。当测量手机的绝对倾角时,要求加速度计有好的0 g点性能,特别是0 g点随温度变化的稳定性(1 mg/°C应足够)。还要求低噪声性能(<350μg/√Hz )以便容易区分移动电话是位于衣袋中还是桌面上。

对于拿起电话检测或摇晃清除功能,仅当特定事件发生时(电话振铃或键盘输入)才可能开启加速度计。因此很低功耗是用户所希望的,但不是必需的。然而对于设置成振铃模式的加速度计,大部分时间都处于开启状态,所以非常低的功耗工作是至关重要的。像ADI公司的ADXL330三轴加速度计,其功耗电流仅为200 μA (Vs = 2V),因此不会过分地降低电池工作寿命。

光标或游戏机控制
加速度计可作为控制系统光标的输入或者游戏机的输入。左右倾斜或前后翻倒移动电话可左右或上下移动屏幕上的光标。这种功能是大家熟知的并且已被集成到几个独立的游戏机(例如任天堂公司的滚滚卡比游戏)和游戏控制器(例如微软公司的Freestyle Pro控制器)中。跳跃动作还引入了第3个轴(Z轴)。与大多数移动电话中采用的标准8位置控制不同,加速度计能提供可变的(模拟)控制。用户手机倾斜得越大,光标移动速度越快。由于采用倾斜作为一种模拟信号输入并且与电话键盘输入方式相结合,所以可用一只手完成复杂的输入组合。

由于移动电话的初始位置可能位于任何方向(例如,用户可能处于平躺状态),因此游戏通常通过某一按键将光标位置设置在屏幕中间位置。从初始位置开始,移动电话可用X轴或Z轴(假定X轴沿电话的长度方向,Z轴沿电话的厚度方向)控制选择上下方向。因为每次启动游戏或光标控制时其初始位置都被复位,所以无需精确的0 g性能。

本应用中加速度计的关键指标是至少±1.2 g的测量范围。要求低噪声性能(<500μg/√Hz )以便防止当移动电话放在稳定的桌面上时出现光标抖动。0~50 Hz带宽比较合适(较窄的带宽低会使游戏出现迟缓)。由于游戏不会连续地玩,所以很低的功耗固然非常有利,但是不完全必需。

动态显示配置
通常,移动电话的显示采用人物模式。大多数计算机产生的文件(网页等)都采用景物模式。加速度计通过测量重力矢量能够确定手机是处于垂直方位还是水平方位(如果手机处于水平方位,还需要确定其水平的两个可能方位)。如果知道了手机的位置,就可以重新配置它的显示模式以便显示器总是保持正面朝着用户。

在动态显示配置应用中,最重要的要求是低功耗,因为无论显示器是否打开加速度计总是处于开启状态。带宽通常设置为小于1 Hz(通过软件滤波)以便不会因随机振动而引起显示晃动。

导航
集成的全球定位系统(GPS)或基站的三角网能用来确定移动电话的位置。但是利用现有的这种小显示屏,对于用来完整显示用户前面的环境是非常有利的。正常情况下采用电子式指南针确定机首方位,但是指南针必须与地球表面保持平行以便机首方位误差最小。这种误差依赖于到地球的地磁赤道的距离变化。例如在北京,指南针与地球表面平行方向每偏离1度(°),会导致3°的机首方位误差。当用户使用移动电话时,指南针可能倾斜与水平方向成45°,从而会产生很大的机首方位误差。可使用加速度计能用来确定手机(和指南针)相对地球表面的实际方位以补偿这种误差。

导航应用中加速度计的关键指标是高0 g偏置以及高灵敏度准确度和稳定性。其总误差应小于50 mg以便减小机首方位误差达到合理值。

计步器
在我们的健康意识日益提高的世界,实际上存在着采用各种灵巧器械的运动模式。为移动电话增加一片计步器——你几乎走到哪里都携带的一片精巧的便携式电子设备,是一种显而易见的应用。用户可以测量他们已经走了多远并且已消耗了多少卡路里能量。在当今市场上确实有几款这种功能的手机。

虽然加速度计可以很容易地完成计算行走的步数,然而由于步长因人而异(大约相差±30%)并且检测结果也取决于人的行走速度(通常误差大于±25%),所以不能精确检测出在经过的距离内的行走步数。但是通过实际测量移动电话(在衣袋中或挂在腰带上)所经历的加速度可以对经过的距离做出非常好的估计。公共领域已有算法可保证步进计数器的精度优于95%,行走距离的精度优于90%(请见ADI公司关于该算法的应笔记AN-602)。

计步器要求加速度计具有很低的功耗(因为加速度计实际上总是处于开启状态)和至少±2 g的测量范围。

磁盘驱动器保护
因为移动电话集成了数百万象素的照相机、MP3播放器以及其它的密集数据存储功能,所以它们正在越来越多地转向微磁盘驱动器进行数据存储。如果没有可用的空气动力缓冲以防止磁头撞击磁性介质,这些微驱动器对机械撞击很敏感。因此可采用一只加速度计来检测手机是否跌落,如果跌落便产生一个驱动信号以便在手机撞击地面之前锁定其读写磁头停在一个安全位置。

最明显的工作原理是通过测量三个轴向的加速度的矢量和来确定手机所处的状态。如果该矢量和接近于零,则该手机一定处于自由落体状态。这种方法只有在严格控制的下降过程中才能很好地工作——处于无旋转的状态。实际上这种方法并不能很好地工作,因为手机旋转产生的向心力会影响算法造。现已有多种其它比较复杂的自由落体检测算法。其中一些算法仅需要一只双轴加速度计即可完成。(请见《Analog Dialogue (模拟对话杂志)》2005年11月刊。欲获取这种方法的参考设计,请访问http://www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/45116188151536hdd.pdf

手机跌落检测要求加速度计的功耗非常低,因为其微驱动器总是处于开启状态。它需要测量范围至少为±1.5 g的两轴或三轴加速度计,具体取决于所用的算法。

结束语
使用一只加速度计为移动电话增加运动检测功能,从而允许移动电话设计工程师能以低成本集成许多有用的功能。现在可提供实现几种功能的参考设计以便促进将其整合到移动电话设计中。本文提到的仅是部分应用,目前市场上正在提供许多其它的应用,甚至更多的应用还蕴育在聪明的设计工程师的创造之中。

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