簡(jiǎn)述運(yùn)動(dòng)傳感器在未來(lái)蜂窩手持設(shè)備領(lǐng)域的關(guān)鍵作用

以微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）集成電路（IC）形式實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)傳感器正在蜂窩手持設(shè)備的未來(lái)發(fā)揮關(guān)鍵作用，這些MEMS加速計(jì)使移動(dòng)電話更便于使用，而且還能夠提高手持設(shè)備的可靠性。由于采用MEMS可以提高靈敏度、減少功耗和封裝尺寸，因此在新的電話設(shè)計(jì)中正在更迅速地采用MEMS加速計(jì)，并得到由軟件實(shí)現(xiàn)的新穎功能的支持。

姿態(tài)識(shí)別是一個(gè)描述如何采用運(yùn)動(dòng)形式給手持設(shè)備增加命令的術(shù)語(yǔ)，例如拿起正在振鈴的電話和清除按錯(cuò)鍵這樣的動(dòng)作。姿態(tài)識(shí)別可以簡(jiǎn)化電話/人之間的接口，但一般所能存儲(chǔ)的姿態(tài)限于5到6個(gè)姿態(tài)（按典型存儲(chǔ)容量考慮）。最好的姿態(tài)識(shí)別系統(tǒng)采用象“拿起”一個(gè)電話（而不是按下“發(fā)送”鍵）這樣幾乎不需要學(xué)習(xí)或存儲(chǔ)的自然運(yùn)動(dòng)。采用加速計(jì)，就可以感覺(jué)到振鈴后手持設(shè)備的移動(dòng)，加速計(jì)測(cè)到拿起電話送到耳邊這個(gè)動(dòng)作，然后由一個(gè)微處理器來(lái)負(fù)責(zé)解釋（圖1）。

圖1：圖中波形是檢測(cè)拿起手機(jī)并送到耳邊這個(gè)動(dòng)作的加速計(jì)所測(cè)到的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。

雖然這種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)非常簡(jiǎn)單（加速后很快又減速到零，位置變化處于15到100cm之間），但這個(gè)在振鈴時(shí)發(fā)生的動(dòng)作幾乎肯定代表著拿起電話這樣一個(gè)含義。這個(gè)概念是可靠姿態(tài)識(shí)別的關(guān)鍵因素之一：采用上下文來(lái)理解動(dòng)作代表的含義。滿足這種類(lèi)型動(dòng)作測(cè)量的傳感器需要一個(gè)測(cè)量范圍為±2g的三軸加速計(jì)，加速計(jì)輸出經(jīng)過(guò)高通濾波（可能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)）以排除傾斜產(chǎn)生的加速度，所以0g下的精確度或穩(wěn)定性并不重要，合適的帶寬在1~50Hz之間，最好具有比較低的躁聲（小于350μg/（Hz）0.5）以將積分誤差減小到最低。

由于現(xiàn)代移動(dòng)電話的鍵盤(pán)尺寸比較小，按錯(cuò)鍵是常見(jiàn)現(xiàn)象，可以采用晃動(dòng)手持設(shè)備1秒半這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作來(lái)清除最后一次輸入的鍵，用更長(zhǎng)時(shí)間的晃動(dòng)來(lái)清除最后一次輸入的整個(gè)字符串。這個(gè)動(dòng)作也是一個(gè)相當(dāng)自然的響應(yīng)，能夠使算法更健壯（具有更好的魯棒性）設(shè)計(jì)人員可以使用鍵盤(pán)標(biāo)識(shí)來(lái)尋找“清除”動(dòng)作。除非某人特別細(xì)心而僅在一個(gè)軸向晃動(dòng)手持設(shè)備，一般晃動(dòng)都會(huì)在三個(gè)軸向產(chǎn)生加速度，因此一個(gè)單軸或雙軸加速計(jì)就非常這個(gè)應(yīng)用。因?yàn)橐残枰咄V波，所以性能需求還算適中。盡管在晃動(dòng)時(shí)實(shí)際加速度有可能達(dá)到±10 g，但由于削波不會(huì)對(duì)晃動(dòng)檢測(cè)算法產(chǎn)生負(fù)面影響，因此±2g的范圍就足夠了。

感知移動(dòng)電話的環(huán)境也對(duì)象振鈴控制這樣增加使用便利性的程序功能有幫助。例如，當(dāng)一個(gè)手機(jī)放在不希望使用振動(dòng)模式的桌面上時(shí)，只需要振鈴器工作即可。在會(huì)議室或用戶不希望打擾的場(chǎng)所，可以通過(guò)將手機(jī)面朝下放置來(lái)選擇靜音模式，關(guān)閉振鈴器或振動(dòng)模式。每一種模式都可以手工設(shè)定（使用鍵盤(pán)控制），但是有這樣一部能夠自動(dòng)控制的手機(jī)會(huì)更方便。具體而言，可以采用一個(gè)加速計(jì)來(lái)確定電話的方向及是否放置在桌面上，這樣手機(jī)可以自動(dòng)選擇合適的振鈴模式。

手持設(shè)備的方向可以用一個(gè)三軸加速計(jì)來(lái)測(cè)量。桌面是穩(wěn)定的，而且一般都平行于地面，在X、Y、Z三個(gè)軸向，其中一個(gè)軸向上放置在桌面的手持設(shè)備的加速度接近于-1g，而其它兩個(gè)軸向接近于0 g（魯棒的檢測(cè)算法允許在-1g或0g點(diǎn)存在一定的測(cè)量誤差，所以由于溫度而引起的任何0 g偏差都不對(duì)算法形成干擾）。當(dāng)放置在堅(jiān)實(shí)的表面上時(shí)加速度幾乎測(cè)不到任何振動(dòng)，如果沒(méi)有測(cè)到振動(dòng)，某個(gè)軸向的加速度接近于1g而其它兩個(gè)軸向接近于0g，則可以確定手持設(shè)備處于面朝下的狀態(tài)。圖2中給出了手持設(shè)備置于桌面和口袋中時(shí)ADXL330 MEMS加速計(jì)所測(cè)量到的波形。

這個(gè)應(yīng)用需要一個(gè)測(cè)量范圍大于±1.2g的三軸加速計(jì)，要求具有良好的0g特性，特別是在測(cè)量手持設(shè)備的絕對(duì)傾斜度時(shí)需要具備良好的0 g點(diǎn)溫度穩(wěn)定性（1mg/°C應(yīng)該是足夠了），同時(shí)為了便于區(qū)分手持設(shè)備放置在桌面和口袋中的不同情況需要具有比較低的躁聲（《 350 μg/（Hz）0.5）。

在檢測(cè)拿起動(dòng)作或通過(guò)晃動(dòng)來(lái)清除按鍵錯(cuò)誤的應(yīng)用中，加速計(jì)僅在特定事件（振鈴或按鍵）發(fā)生時(shí)才供電，盡管希望具有低功耗特性，但并不是必需的，不過(guò)在振鈴模式下，大部分時(shí)間里加速計(jì)都需要供電，所以工作在低功耗狀態(tài)就非常關(guān)鍵。模擬器件公司（Analog Devices）的ADXL330加速計(jì)所消耗的電流只有200μA（電源電壓為2V），所以不會(huì)過(guò)度地降低電池的壽命。

一個(gè)加速計(jì)可以用做一個(gè)輸入來(lái)控制系統(tǒng)光標(biāo)或作為游戲的輸入，可以通過(guò)前后左右傾倒手機(jī)來(lái)前后上下移動(dòng)光標(biāo)，這個(gè)功能已經(jīng)集成到好幾個(gè)獨(dú)立的游戲（任天堂的Tilt和Tumble Kirby）和游戲控制器中（任天堂的Wii Remote），而且還為跳躍動(dòng)作集成了第三個(gè)軸加速計(jì)。與大多數(shù)手持設(shè)備的8位控制標(biāo)準(zhǔn)不同，一個(gè)加速計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)變量（模擬量）控制，使光標(biāo)速度隨傾斜度變化。由于手持設(shè)備的初始方向可以是任何方向（例如使用者可能會(huì)躺著使用它），一般都通過(guò)按鍵來(lái)使光標(biāo)處于空位，啟動(dòng)游戲。由于每次啟動(dòng)游戲或光標(biāo)控制時(shí)初始位置都被復(fù)位，所以并不需要精確的0g特性。

這個(gè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)條件是測(cè)量范圍至少要達(dá)到±1.2g，同時(shí)，為避免手機(jī)放置在穩(wěn)定的表面時(shí)光標(biāo)抖動(dòng)要求具有比較小的躁聲水平（《500μg/（Hz）0.5），帶寬最好在0~50Hz之間（過(guò)小的帶寬會(huì)使游戲變得遲緩）。由于游戲并沒(méi)有連續(xù)的操作，所以盡管非常低的功耗是有利的，但并非必要。

通過(guò)測(cè)量重力向量，一個(gè)加速計(jì)可以確定手持設(shè)備是處于垂直狀態(tài)還是水平狀態(tài)，將其顯示器切換到肖像模式或風(fēng)景模式，由于任何顯示模式下加速計(jì)都處于工作狀態(tài)，所以這個(gè)應(yīng)用最重要的要求是具有非常低的功耗。帶寬一般都小于1Hz（通過(guò)軟件濾波）以避免顯示器因隨機(jī)振動(dòng)而翻轉(zhuǎn)。

可以使用一個(gè)集成的全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器或通過(guò)對(duì)基站的三角測(cè)量來(lái)確定手持設(shè)備的位置，但是由于顯示器比較小，因此使用整個(gè)顯示器來(lái)為使用者指示方向更為有利，通常使用電子羅盤(pán)來(lái)指示方向，但羅盤(pán)必須平行于地面才能將方向誤差減小到最低，這個(gè)誤差因距離地球磁赤道的距離大小而變化，例如，在波斯頓與地面的平行度每差一度，方向就偏離3度，使用移動(dòng)電話時(shí)，羅盤(pán)傾斜度會(huì)達(dá)到45度，這樣就會(huì)導(dǎo)致很大的誤差，可以用一個(gè)加速計(jì)來(lái)確定手持設(shè)備相對(duì)于地面的實(shí)際方向以對(duì)這個(gè)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，這個(gè)加速計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)條件是具有比較高的0g點(diǎn)偏差、靈敏度及穩(wěn)定性，要使方向誤差處于合理范圍，加速計(jì)的整體誤差要小于50mg。

在體育鍛煉時(shí)，一個(gè)加速計(jì)可以很容易地統(tǒng)計(jì)步數(shù)，不過(guò)根據(jù)步數(shù)統(tǒng)計(jì)無(wú)法獲得精確的行走距離，因?yàn)椴介L(zhǎng)因人而異（大約相差±30%），也取決于步行速度（一般大于±25%）。但是通過(guò)測(cè)量手機(jī)（裝在口袋中或掛在皮帶上）的加速度，就可以對(duì)行走距離給出一個(gè)非常好的估計(jì)。執(zhí)行步數(shù)統(tǒng)計(jì)的公用算法精確度大于95%，步行距離估計(jì)的精確度大于90%。用于步數(shù)計(jì)的加速計(jì)要求具有低功耗特性（因?yàn)榧铀儆?jì)需要不間斷工作），測(cè)量范圍至少要達(dá)到±2g。

加速計(jì)也可以用來(lái)保護(hù)手持設(shè)備的微驅(qū)動(dòng)器，由于這些微驅(qū)動(dòng)器幾乎沒(méi)有任何空氣動(dòng)力阻尼可以避免驅(qū)動(dòng)頭撞到磁介質(zhì)上，因此對(duì)機(jī)械振動(dòng)非常敏感。我們可以用一個(gè)加速計(jì)來(lái)檢測(cè)手持設(shè)備是否掉落，在掉到地面以前向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)及時(shí)將驅(qū)動(dòng)頭停放在安全位置。

這里，最明顯的工作原理是測(cè)量三軸的向量和，如果向量和接近于0，那么手持設(shè)備一定是處于自由落體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)方法僅在受到良好控制的下落運(yùn)動(dòng)（沒(méi)有旋轉(zhuǎn)）中可以獲得滿意的結(jié)果，實(shí)際上由于手持設(shè)備下落時(shí)的旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生欺騙算法的向心力，所以這個(gè)方法并不理想。但是還有更多的方法可用來(lái)檢測(cè)自由落體，其中一些方法僅需要一個(gè)兩軸加速計(jì)。

由于在微驅(qū)動(dòng)器工作的任何時(shí)間都需要落體檢測(cè)加速計(jì)處于工作狀態(tài)，所以要求其消耗非常少的功率，根據(jù)所使用算法的不同，需要一個(gè)測(cè)量范圍至少達(dá)到±1.5g的兩軸或三軸加速計(jì)。

采用加速計(jì)為移動(dòng)電話增加運(yùn)動(dòng)檢測(cè)可以使電話設(shè)計(jì)人員以比較低的成本為移動(dòng)電話集成許多有用的功能。為便于將這些功能集成到設(shè)計(jì)中，可以提供其中幾個(gè)功能的參考設(shè)計(jì)，限于篇幅，這里僅介紹了部分應(yīng)用，從市場(chǎng)上可以獲得更多功能。