基于MEMS的运动传感器在移动电话中的应用

 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

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。