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移動(dòng)電話(huà)的銷(xiāo)售量每年都達到上億部，雖然新用戶(hù)是重要市場(chǎng)，但這些銷(xiāo)售量的大部分來(lái)源是將其已有移動(dòng)電話(huà)升級為帶有最新功能的新電話(huà)的用戶(hù)。移動(dòng)電話(huà)制造商和業(yè)務(wù)供應的生存問(wèn)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(yè)務(wù)供應商需要這些新功能帶來(lái)的增值業(yè)務(wù)以提高其收益（照相手機即是一個(gè)很好的例子——照相手機用戶(hù)通過(guò)業(yè)務(wù)供應商的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )給他們的朋友發(fā)送圖片或視頻，從而為業(yè)務(wù)供應商帶來(lái)重要的積極收入），同時(shí)移動(dòng)電話(huà)制造商需要定期地更新他們具有新功能的系列產(chǎn)品以防止他們的產(chǎn)品過(guò)于商業(yè)化。 使用MEMS加速度計的運動(dòng)檢測技術(shù)能提供許多新功能，包括增強移動(dòng)電話(huà)可用性、可靠性和允許啟動(dòng)的新功能。確實(shí)，一旦手持中裝有加速度計這種硬件，只要簡(jiǎn)單地增加軟件便可實(shí)現其幾種新的功能。本文將介紹移動(dòng)電話(huà)幾種新功能并解釋其工作原理。本文也討論在每一個(gè)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(zhuān)利權保護。這里對它們的介紹僅為教學(xué)目的。建議讀者在將這些技術(shù)用于產(chǎn)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(dòng)作（或手勢）將命令輸入到電話(huà)的包羅萬(wàn)象的短語(yǔ)。有許多種類(lèi)型可能對檢測有興趣的手勢識別；例如拿起振鈴電話(huà)、清除誤操作鍵或者設置電話(huà)振鈴類(lèi)型僅是下面將要介紹的兩個(gè)例子。 雖然手勢識別可有助于使人機界面更加直覺(jué)，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(hù)能夠容易記住幾種手勢的含義，但是如果必需通過(guò)難以接受的學(xué)習才能掌握許多手勢則是失敗的。請記�。何覀兊哪繕耸鞘挂苿�(dòng)電話(huà)更加容易使用。 拿起電話(huà)檢測 實(shí)際上最好的手勢識別系統采用用戶(hù)根本不用學(xué)習的自然動(dòng)作。一個(gè)很好的例子就是拿起振鈴電話(huà)。雖然人們已經(jīng)習慣于按“發(fā)送（send）”按鈕接聽(tīng)電話(huà)，但是拿起電話(huà)并且將它移到耳邊則更加直覺(jué)。通過(guò)使用加速度計，當感覺(jué)到移動(dòng)電話(huà)在響鈴后就已經(jīng)啟動(dòng)了正在被移動(dòng)的手機。拿起電話(huà)移到耳邊所產(chǎn)生的運動(dòng)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(gè)人拿起電話(huà)所產(chǎn)生的運動(dòng)流程極其相似。這種類(lèi)型的運動(dòng)（當運動(dòng)加速度在瞬時(shí)之后減速到零并且它的位置發(fā)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(huà)振鈴時(shí)產(chǎn)生的這種運動(dòng)幾乎確定地表示拿起電話(huà)。這個(gè)概念是可靠的手勢識別的關(guān)鍵因素之一：使用前后關(guān)系有助于理解動(dòng)作的可能含義。 圖1. 移動(dòng)電話(huà)放到你的耳邊時(shí)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(jīng)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(jīng)過(guò)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(dòng)電話(huà)鍵盤(pán)已經(jīng)如此小而密集以至于誤按按鍵的現象非常普遍，這讓用戶(hù)很氣惱。因此開(kāi)發(fā)了諸如語(yǔ)音撥號的功能以方便用戶(hù)撥號，但此項功能似乎并未被用戶(hù)意識到。由于不可能采用更大的鍵盤(pán)（因為每個(gè)人都需要小巧的移動(dòng)電話(huà)），因此使用戶(hù)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(cháng)達半秒左右地猛力搖晃移動(dòng)電話(huà)的簡(jiǎn)單手勢可用來(lái)清除最后輸入的數字。更長(cháng)時(shí)間的搖晃可用來(lái)清除最后輸入的完整字符串。此外，移動(dòng)電話(huà)會(huì )對該動(dòng)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(pán)使用指示來(lái)查找“清除”手勢。 在搖晃清除應用中，由于人搖晃在每一個(gè)坐標軸向上都會(huì )產(chǎn)生加速度，除非某人非常細心地僅在一個(gè)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(shí)，實(shí)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(huì )負面地影響搖晃探測算法。 環(huán)境感知 通過(guò)掌握移動(dòng)電話(huà)的使用環(huán)境（或前后關(guān)系），移動(dòng)電話(huà)會(huì )更加方便地使用。其中一個(gè)例子就是振鈴控制。實(shí)際上，所有的移動(dòng)電話(huà)都有可聽(tīng)得見(jiàn)的振鈴器，也有非常適合于振動(dòng)模式的振動(dòng)器。許多情形下，用戶(hù)可能傾向于使用某一種模式。這種移動(dòng)電話(huà)能夠向用戶(hù)提供有關(guān)振鈴和振動(dòng)功能的參數選擇。例如： * 如果移動(dòng)電話(huà)放在餐桌或書(shū)桌上，那么無(wú)需使用振動(dòng)模式，所以只能選擇振鈴模式。 * 在開(kāi)會(huì )或進(jìn)餐時(shí)，用戶(hù)可能不希望被打擾。將移動(dòng)電話(huà)正面向下放在餐桌或書(shū)桌上，用戶(hù)選擇靜音模式，在這種情況下振鈴器或振動(dòng)模式都不能選擇。 * 如果移動(dòng)電話(huà)放在衣袋中，智能使用振動(dòng)模式。 雖然上述這些模式中的每一種都能通過(guò)手工鍵入（使用鍵盤(pán)操作），但是如果有自動(dòng)設置工作模式的移動(dòng)電話(huà)就會(huì )更加方便�？捎靡恢患铀俣扔嫓y定移動(dòng)電話(huà)的方位，不論它是否放在餐桌或書(shū)桌上。因此移動(dòng)電話(huà)能夠自動(dòng)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(dòng)電話(huà)的方位。書(shū)桌或餐桌表面非常穩定的，實(shí)際上它總是與地球表面幾乎平行。因此放在書(shū)桌上的一部移動(dòng)電話(huà)只有一個(gè)軸向的加速度大約為-1g，而其它兩個(gè)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(gè)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(diǎn)漂移不會(huì )影響算法）。同時(shí)該加速度計還可測量放在堅固桌面上一動(dòng)電話(huà)的微小振動(dòng)。 同理，“移動(dòng)電話(huà)正面向下”可以根據單軸向振動(dòng)的方法確定，即其中有一個(gè)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(gè)軸向的加速度幾乎為零。衣袋中的移動(dòng)電話(huà)受到的振動(dòng)和移動(dòng)很多，所以它根本不可能處于一個(gè)與地表平行的平面。放在桌上和衣袋里（用戶(hù)坐在椅子上）的裝配ADXL330的移動(dòng)電話(huà)的典型波形圖如圖2所示。顯而易見(jiàn)，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(dòng)。 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(huán)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(shí)，要求加速度計有好的0 g點(diǎn)性能，特別是0 g點(diǎn)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(dòng)電話(huà)是位于衣袋中還是桌面上。 對于拿起電話(huà)檢測或搖晃清除功能，僅當特定事件發(fā)生時(shí)（電話(huà)振鈴或鍵盤(pán)輸入）才可能開(kāi)啟加速度計。因此很低功耗是用戶(hù)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(shí)間都處于開(kāi)啟狀態(tài)，所以非常低的功耗工作是至關(guān)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(huì )過(guò)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(dòng)電話(huà)可左右或上下移動(dòng)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(gè)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(dòng)作還引入了第3個(gè)軸（Z軸）。與大多數移動(dòng)電話(huà)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(hù)手機傾斜得越大，光標移動(dòng)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(huà)鍵盤(pán)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(dòng)電話(huà)的初始位置可能位于任何方向（例如，用戶(hù)可能處于平躺狀態(tài)），因此游戲通常通過(guò)某一按鍵將光標位置設置在屏幕中間位置。從初始位置開(kāi)始，移動(dòng)電話(huà)可用X軸或Z軸（假定X軸沿電話(huà)的長(cháng)度方向，Z軸沿電話(huà)的厚度方向）控制選擇上下方向。因為每次啟動(dòng)游戲或光標控制時(shí)其初始位置都被復位，所以無(wú)需精確的0 g性能。 本應用中加速度計的關(guān)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(dòng)電話(huà)放在穩定的桌面上時(shí)出現光標抖動(dòng)。0～50 Hz帶寬比較合適（較窄的帶寬低會(huì )使游戲出現遲緩）。由于游戲不會(huì )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(dòng)態(tài)顯示配置 通常，移動(dòng)電話(huà)的顯示采用人物模式。大多數計算機產(chǎn)生的文件（網(wǎng)頁(yè)等）都采用景物模式。加速度計通過(guò)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(gè)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(zhù)用戶(hù)。 在動(dòng)態(tài)顯示配置應用中，最重要的要求是低功耗，因為無(wú)論顯示器是否打開(kāi)加速度計總是處于開(kāi)啟狀態(tài)。帶寬通常設置為小于1 Hz（通過(guò)軟件濾波）以便不會(huì )因隨機振動(dòng)而引起顯示晃動(dòng)。 導航 集成的全球定位系統（GPS）或基站的三角網(wǎng)能用來(lái)確定移動(dòng)電話(huà)的位置。但是利用現有的這種小顯示屏，對于用來(lái)完整顯示用戶(hù)前面的環(huán)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(lài)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(huì )導致3°的機首方位誤差。當用戶(hù)使用移動(dòng)電話(huà)時(shí)，指南針可能傾斜與水平方向成45°，從而會(huì )產(chǎn)生很大的機首方位誤差�？墒褂眉铀俣扔嬆苡脕�(lái)確定手機（和指南針）相對地球表面的實(shí)際方位以補償這種誤差。 導航應用中加速度計的關(guān)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(shí)際上存在著(zhù)采用各種靈巧器械的運動(dòng)模式。為移動(dòng)電話(huà)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(jiàn)的應用。用戶(hù)可以測量他們已經(jīng)走了多遠并且已消耗了多少卡路里能量。在當今市場(chǎng)上確實(shí)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(cháng)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(jīng)過(guò)的距離內的行走步數。但是通過(guò)實(shí)際測量移動(dòng)電話(huà)（在衣袋中或掛在腰帶上）所經(jīng)歷的加速度可以對經(jīng)過(guò)的距離做出非常好的估計。公共領(lǐng)域已有算法可保證步進(jìn)計數器的精度優(yōu)于95%，行走距離的精度優(yōu)于90%（請見(jiàn)ADI公司關(guān)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(shí)際上總是處于開(kāi)啟狀態(tài)）和至少±2 g的測量范圍。 磁盤(pán)驅動(dòng)器保護 因為移動(dòng)電話(huà)集成了數百萬(wàn)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(lái)越多地轉向微磁盤(pán)驅動(dòng)器進(jìn)行數據存儲。如果沒(méi)有可用的空氣動(dòng)力緩沖以防止磁頭撞擊磁性介質(zhì)，這些微驅動(dòng)器對機械撞擊很敏感。因此可采用一只加速度計來(lái)檢測手機是否跌落，如果跌落便產(chǎn)生一個(gè)驅動(dòng)信號以便在手機撞擊地面之前鎖定其讀寫(xiě)磁頭停在一個(gè)安全位置。 最明顯的工作原理是通過(guò)測量三個(gè)軸向的加速度的矢量和來(lái)確定手機所處的狀態(tài)。如果該矢量和接近于零，則該手機一定處于自由落體狀態(tài)。這種方法只有在嚴格控制的下降過(guò)程中才能很好地工作——處于無(wú)旋轉的狀態(tài)。實(shí)際上這種方法并不能很好地工作，因為手機旋轉產(chǎn)生的向心力會(huì )影響算法造�，F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(dòng)器總是處于開(kāi)啟狀態(tài)。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(yǔ) 使用一只加速度計為移動(dòng)電話(huà)增加運動(dòng)檢測功能，從而允許移動(dòng)電話(huà)設計工程師能以低成本集成許多有用的功能�，F在可提供實(shí)現幾種功能的參考設計以便促進(jìn)將其整合到移動(dòng)電話(huà)設計中。本文提到的僅是部分應用，目前市場(chǎng)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(chuàng )造之中。 |
