簡述運動傳感器在未來蜂窩手持設備領域的關鍵作用

以微機電系統(tǒng)（MEMS）集成電路（IC）形式實現的運動傳感器正在蜂窩手持設備的未來發(fā)揮關鍵作用，這些MEMS加速計使移動電話更便于使用，而且還能夠提高手持設備的可靠性。由于采用MEMS可以提高靈敏度、減少功耗和封裝尺寸，因此在新的電話設計中正在更迅速地采用MEMS加速計，并得到由軟件實現的新穎功能的支持。

姿態(tài)識別是一個描述如何采用運動形式給手持設備增加命令的術語，例如拿起正在振鈴的電話和清除按錯鍵這樣的動作。姿態(tài)識別可以簡化電話/人之間的接口，但一般所能存儲的姿態(tài)限于5到6個姿態(tài)（按典型存儲容量考慮）。最好的姿態(tài)識別系統(tǒng)采用象“拿起”一個電話（而不是按下“發(fā)送”鍵）這樣幾乎不需要學習或存儲的自然運動。采用加速計，就可以感覺到振鈴后手持設備的移動，加速計測到拿起電話送到耳邊這個動作，然后由一個微處理器來負責解釋（圖1）。

圖1：圖中波形是檢測拿起手機并送到耳邊這個動作的加速計所測到的姿態(tài)運動。

雖然這種類型的運動非常簡單（加速后很快又減速到零，位置變化處于15到100cm之間），但這個在振鈴時發(fā)生的動作幾乎肯定代表著拿起電話這樣一個含義。這個概念是可靠姿態(tài)識別的關鍵因素之一：采用上下文來理解動作代表的含義。滿足這種類型動作測量的傳感器需要一個測量范圍為±2g的三軸加速計，加速計輸出經過高通濾波（可能通過軟件實現）以排除傾斜產生的加速度，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。

由于現代移動電話的鍵盤尺寸比較小，按錯鍵是常見現象，可以采用晃動手持設備1秒半這樣一個簡單的動作來清除最后一次輸入的鍵，用更長時間的晃動來清除最后一次輸入的整個字符串。這個動作也是一個相當自然的響應，能夠使算法更健壯（具有更好的魯棒性）設計人員可以使用鍵盤標識來尋找“清除”動作。除非某人特別細心而僅在一個軸向晃動手持設備，一般晃動都會在三個軸向產生加速度，因此一個單軸或雙軸加速計就非常這個應用。因為也需要高通濾波，所以性能需求還算適中。盡管在晃動時實際加速度有可能達到±10 g，但由于削波不會對晃動檢測算法產生負面影響，因此±2g的范圍就足夠了。

感知移動電話的環(huán)境也對象振鈴控制這樣增加使用便利性的程序功能有幫助。例如，當一個手機放在不希望使用振動模式的桌面上時，只需要振鈴器工作即可。在會議室或用戶不希望打擾的場所，可以通過將手機面朝下放置來選擇靜音模式，關閉振鈴器或振動模式。每一種模式都可以手工設定（使用鍵盤控制），但是有這樣一部能夠自動控制的手機會更方便。具體而言，可以采用一個加速計來確定電話的方向及是否放置在桌面上，這樣手機可以自動選擇合適的振鈴模式。

手持設備的方向可以用一個三軸加速計來測量。桌面是穩(wěn)定的，而且一般都平行于地面，在X、Y、Z三個軸向，其中一個軸向上放置在桌面的手持設備的加速度接近于-1g，而其它兩個軸向接近于0 g（魯棒的檢測算法允許在-1g或0g點存在一定的測量誤差，所以由于溫度而引起的任何0 g偏差都不對算法形成干擾）。當放置在堅實的表面上時加速度幾乎測不到任何振動，如果沒有測到振動，某個軸向的加速度接近于1g而其它兩個軸向接近于0g，則可以確定手持設備處于面朝下的狀態(tài)。圖2中給出了手持設備置于桌面和口袋中時ADXL330 MEMS加速計所測量到的波形。

這個應用需要一個測量范圍大于±1.2g的三軸加速計，要求具有良好的0g特性，特別是在測量手持設備的絕對傾斜度時需要具備良好的0 g點溫度穩(wěn)定性（1mg/°C應該是足夠了），同時為了便于區(qū)分手持設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）。

在檢測拿起動作或通過晃動來清除按鍵錯誤的應用中，加速計僅在特定事件（振鈴或按鍵）發(fā)生時才供電，盡管希望具有低功耗特性，但并不是必需的，不過在振鈴模式下，大部分時間里加速計都需要供電，所以工作在低功耗狀態(tài)就非常關鍵。模擬器件公司（Analog Devices）的ADXL330加速計所消耗的電流只有200μA（電源電壓為2V），所以不會過度地降低電池的壽命。

一個加速計可以用做一個輸入來控制系統(tǒng)光標或作為游戲的輸入，可以通過前后左右傾倒手機來前后上下移動光標，這個功能已經集成到好幾個獨立的游戲（任天堂的Tilt和Tumble Kirby）和游戲控制器中（任天堂的Wii Remote），而且還為跳躍動作集成了第三個軸加速計。與大多數手持設備的8位控制標準不同，一個加速計還可以實現變量（模擬量）控制，使光標速度隨傾斜度變化。由于手持設備的初始方向可以是任何方向（例如使用者可能會躺著使用它），一般都通過按鍵來使光標處于空位，啟動游戲。由于每次啟動游戲或光標控制時初始位置都被復位，所以并不需要精確的0g特性。

這個應用的關鍵技術條件是測量范圍至少要達到±1.2g，同時，為避免手機放置在穩(wěn)定的表面時光標抖動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（過小的帶寬會使游戲變得遲緩）。由于游戲并沒有連續(xù)的操作，所以盡管非常低的功耗是有利的，但并非必要。

通過測量重力向量，一個加速計可以確定手持設備是處于垂直狀態(tài)還是水平狀態(tài)，將其顯示器切換到肖像模式或風景模式，由于任何顯示模式下加速計都處于工作狀態(tài)，所以這個應用最重要的要求是具有非常低的功耗。帶寬一般都小于1Hz（通過軟件濾波）以避免顯示器因隨機振動而翻轉。

可以使用一個集成的全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器或通過對基站的三角測量來確定手持設備的位置，但是由于顯示器比較小，因此使用整個顯示器來為使用者指示方向更為有利，通常使用電子羅盤來指示方向，但羅盤必須平行于地面才能將方向誤差減小到最低，這個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，使用移動電話時，羅盤傾斜度會達到45度，這樣就會導致很大的誤差，可以用一個加速計來確定手持設備相對于地面的實際方向以對這個誤差進行補償，這個加速計的關鍵技術條件是具有比較高的0g點偏差、靈敏度及穩(wěn)定性，要使方向誤差處于合理范圍，加速計的整體誤差要小于50mg。

在體育鍛煉時，一個加速計可以很容易地統(tǒng)計步數，不過根據步數統(tǒng)計無法獲得精確的行走距離，因為步長因人而異（大約相差±30%），也取決于步行速度（一般大于±25%）。但是通過測量手機（裝在口袋中或掛在皮帶上）的加速度，就可以對行走距離給出一個非常好的估計。執(zhí)行步數統(tǒng)計的公用算法精確度大于95%，步行距離估計的精確度大于90%。用于步數計的加速計要求具有低功耗特性（因為加速計需要不間斷工作），測量范圍至少要達到±2g。

加速計也可以用來保護手持設備的微驅動器，由于這些微驅動器幾乎沒有任何空氣動力阻尼可以避免驅動頭撞到磁介質上，因此對機械振動非常敏感。我們可以用一個加速計來檢測手持設備是否掉落，在掉到地面以前向驅動器發(fā)出信號及時將驅動頭停放在安全位置。

這里，最明顯的工作原理是測量三軸的向量和，如果向量和接近于0，那么手持設備一定是處于自由落體運動狀態(tài)，這個方法僅在受到良好控制的下落運動（沒有旋轉）中可以獲得滿意的結果，實際上由于手持設備下落時的旋轉會產生欺騙算法的向心力，所以這個方法并不理想。但是還有更多的方法可用來檢測自由落體，其中一些方法僅需要一個兩軸加速計。

由于在微驅動器工作的任何時間都需要落體檢測加速計處于工作狀態(tài)，所以要求其消耗非常少的功率，根據所使用算法的不同，需要一個測量范圍至少達到±1.5g的兩軸或三軸加速計。

采用加速計為移動電話增加運動檢測可以使電話設計人員以比較低的成本為移動電話集成許多有用的功能。為便于將這些功能集成到設計中，可以提供其中幾個功能的參考設計，限于篇幅，這里僅介紹了部分應用，從市場上可以獲得更多功能。