中心論題：

• MEMS加速計(jì)應(yīng)用于手持設(shè)備概述
• 介紹幾種采用加速計(jì)為移動電話增加的有用功能

解決方案：

• 簡單姿態(tài)識別選用測量范圍為±2g的三軸加速計(jì)
• 選擇合適的振鈴模式功能采用測量范圍大于±1.2g的三軸加速計(jì)
• 控制系統(tǒng)光標(biāo)或作為游戲的輸入測量范圍至少要達(dá)到±1.2g三軸加速計(jì)

以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)集成電路(IC)形式實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動傳感器正在蜂窩手持設(shè)備的未來發(fā)揮關(guān)鍵作用，這些MEMS加速計(jì)使移動電話更便于使用，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)識別是一個描述如何采用運(yùn)動形式給手持設(shè)備增加命令的術(shù)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(xué)習(xí)或存儲的自然運(yùn)動。采用加速計(jì)，就可以感覺到振鈴后手持設(shè)備的移動，加速計(jì)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(fù)責(zé)解釋(圖1)?！　?/p>

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

雖然這種類型的運(yùn)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(shí)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(guān)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(jì)，加速計(jì)輸出經(jīng)過高通濾波(可能通過軟件實(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)代移動電話的鍵盤尺寸比較小，按錯鍵是常見現(xiàn)象，可以采用晃動手持設(shè)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(shí)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(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)人員可以使用鍵盤標(biāo)識來尋找“清除”動作。除非某人特別細(xì)心而僅在一個軸向晃動手持設(shè)備，一般晃動都會在三個軸向產(chǎn)生加速度，因此一個單軸或雙軸加速計(jì)就非這個應(yīng)用。因?yàn)橐残枰咄V波，所以性能需求還算適中。盡管在晃動時(shí)實(shí)際加速度有可能達(dá)到±10 g，但由于削波不會對晃動檢測算法產(chǎn)生負(fù)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(dāng)一個手機(jī)放在不希望使用振動模式的桌面上時(shí)，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(jī)面朝下放置來選擇靜音模式，關(guān)閉振鈴器或振動模式。每一種模式都可以手工設(shè)定(使用鍵盤控制)，但是有這樣一部能夠自動控制的手機(jī)會更方便。具體而言，可以采用一個加速計(jì)來確定電話的方向及是否放置在桌面上，這樣手機(jī)可以自動選擇合適的振鈴模式。
　　
手持設(shè)備的方向可以用一個三軸加速計(jì)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(shè)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(diǎn)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(dāng)放置在堅(jiān)實(shí)的表面上時(shí)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(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)所測量到的波形。
　　
這個應(yīng)用需要一個測量范圍大于±1.2g的三軸加速計(jì)，要求具有良好的0g特性，特別是在測量手持設(shè)備的絕對傾斜度時(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)。
　　
在檢測拿起動作或通過晃動來清除按鍵錯誤的應(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)，所以不會過度地降低電池的壽命。
　　
一個加速計(jì)可以用做一個輸入來控制系統(tǒng)光標(biāo)或作為游戲的輸入，可以通過前后左右傾倒手機(jī)來前后上下移動光標(biāo)，這個功能已經(jīng)集成到好幾個獨(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)，而且還為跳躍動作集成了第三個軸加速計(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(例如使用者可能會躺著使用它)，一般都通過按鍵來使光標(biāo)處于空位，啟動游戲。由于每次啟動游戲或光標(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。
　　
這個應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)條件是測量范圍至少要達(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(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(通過軟件濾波)以避免顯示器因隨機(jī)振動而翻轉(zhuǎn)。
　　
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(shè)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(shí)，羅盤傾斜度會達(dá)到45度，這樣就會導(dǎo)致很大的誤差，可以用一個加速計(jì)來確定手持設(shè)備相對于地面的實(shí)際方向以對這個誤差進(jìn)行補(bǔ)償，這個加速計(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)，一個加速計(jì)可以很容易地統(tǒng)計(jì)步數(shù)，不過根據(jù)步數(shù)統(tǒng)計(jì)無法獲得精確的行走距離，因?yàn)椴介L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(jī)(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(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)，測量范圍至少要達(dá)到±2g.。
　　
加速計(jì)也可以用來保護(hù)手持設(shè)備的微驅(qū)動器，由于這些微驅(qū)動器幾乎沒有任何空氣動力阻尼可以避免驅(qū)動頭撞到磁介質(zhì)上，因此對機(jī)械振動非常敏感。我們可以用一個加速計(jì)來檢測手持設(shè)備是否掉落，在掉到地面以前向驅(qū)動器發(fā)出信號及時(shí)將驅(qū)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(shè)備一定是處于自由落體運(yùn)動狀態(tài)，這個方法僅在受到良好控制的下落運(yùn)動(沒有旋轉(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)會產(chǎn)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(jì)。
　　
由于在微驅(qū)動器工作的任何時(shí)間都需要落體檢測加速計(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，需要一個測量范圍至少達(dá)到±1.5g的兩軸或三軸加速計(jì)。
　　
采用加速計(jì)為移動電話增加運(yùn)動檢測可以使電話設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，可以提供其中幾個功能的參考設(shè)計(jì)，限于篇幅，這里僅介紹了部分應(yīng)用，從市場上可以獲得更多功能。