MEMS运动传感器有助于提高手持设备的可靠性

　　以微机电系统(MEMS)集成电路(IC)形式实现的运动传感器正在蜂窝手持设备的未来发挥关键作用，这些MEMS加速计使移动电话更便于使用，而且还能够提高手持设备的可靠性。由于采用MEMS可以提高灵敏度、减少功耗和封装尺寸，因此在新的电话设计中正在更迅速地采用MEMS加速计，并得到由软件实现的新颖功能的支持。

　　姿态识别是一个描述如何采用运动形式给手持设备增加命令的术语，例如拿起正在振铃的电话和清除按错键这样的动作。姿态识别可以简化电话/人之间的接口，但一般所能存储的姿态限于5到6个姿态(按典型存储容量考虑)。最好的姿态识别系统采用象"拿起"一个电话(而不是按下"发送"键)这样几乎不需要学习或存储的自然运动。采用加速计，就可以感觉到振铃后手持设备的移动，加速计测到拿起电话送到耳边这个动作，然后由一个微处理器来负责解释(图1)。

图1：图中波形是检测拿起手机并送到耳边这个动作的加速计所测到的姿态运动。

　　虽然这种类型的运动非常简单(加速后很快又减速到零，位置变化处于15到100cm之间)，但这个在振铃时发生的动作几乎肯定代表着拿起电话这样一个含义。这个概念是可靠姿态识别的关键因素之一：采用上下文来理解动作代表的含义。满足这种类型动作测量的传感器需要一个测量范围为±2g的三轴加速计，加速计输出经过高通滤波(可能通过软件实现)以排除倾斜产生的加速度，所以0g下的精确度或稳定性并不重要，合适的带宽在1~50Hz之间，最好具有比较低的躁声(小于350µg/(Hz)0.5)以将积分误差减小到最低。

　　由于现代移动电话的键盘尺寸比较小，按错键是常见现象，可以采用晃动手持设备1秒半这样一个简单的动作来清除最后一次输入的键，用更长时间的晃动来清除最后一次输入的整个字符串。这个动作也是一个相当自然的响应，能够使算法更健壮(具有更好的鲁棒性)设计人员可以使用键盘标识来寻找"清除"动作。除非某人特别细心而仅在一个轴向晃动手持设备，一般晃动都会在三个轴向产生加速度，因此一个单轴或双轴加速计就非常这个应用。因为也需要高通滤波，所以性能需求还算适中。尽管在晃动时实际加速度有可能达到±10 g，但由于削波不会对晃动检测算法产生负面影响，因此±2g的范围就足够了。

　　感知移动电话的环境也对象振铃控制这样增加使用便利性的程序功能有帮助。例如，当一个手机放在不希望使用振动模式的桌面上时，只需要振铃器工作即可。在会议室或用户不希望打扰的场所，可以通过将手机面朝下放置来选择静音模式，关闭振铃器或振动模式。每一种模式都可以手工设定(使用键盘控制)，但是有这样一部能够自动控制的手机会更方便。具体而言，可以采用一个加速计来确定电话的方向及是否放置在桌面上，这样手机可以自动选择合适的振铃模式。

　　手持设备的方向可以用一个三轴加速计来测量。桌面是稳定的，而且一般都平行于地面，在X、Y、Z三个轴向，其中一个轴向上放置在桌面的手持设备的加速度接近于-1g，而其它两个轴向接近于0 g(鲁棒的检测算法允许在-1g或0g点存在一定的测量误差，所以由于温度而引起的任何0 g偏差都不对算法形成干扰)。当放置在坚实的表面上时加速度几乎测不到任何振动，如果没有测到振动，某个轴向的加速度接近于1g而其它两个轴向接近于0g，则可以确定手持设备处于面朝下的状态。图2中给出了手持设备置于桌面和口袋中时ADXL330 MEMS加速计所测量到的波形。
这个应用需要一个测量范围大于±1.2g的三轴加速计，要求具有良好的0g特性，特别是在测量手持设备的绝对倾斜度时需要具备良好的0 g点温度稳定性(1mg/°C应该是足够了)，同时为了便于区分手持设备放置在桌面和口袋中的不同情况需要具有比较低的躁声(< 350 µg/(Hz)0.5)。

　　在检测拿起动作或通过晃动来清除按键错误的应用中，加速计仅在特定事件(振铃或按键)发生时才供电，尽管希望具有低功耗特性，但并不是必需的，不过在振铃模式下，大部分时间里加速计都需要供电，所以工作在低功耗状态就非常关键。模拟器件公司(Analog Devices)的ADXL330加速计所消耗的电流只有200µA(电源电压为2V)，所以不会过度地降低电池的寿命。

　　一个加速计可以用做一个输入来控制系统光标或作为游戏的输入，可以通过前后左右倾倒手机来前后上下移动光标，这个功能已经集成到好几个独立的游戏(任天堂的Tilt和Tumble Kirby)和游戏控制器中(任天堂的Wii Remote)，而且还为跳跃动作集成了第三个轴加速计。与大多数手持设备的8位控制标准不同，一个加速计还可以实现变量(模拟量)控制，使光标速度随倾斜度变化。由于手持设备的初始方向可以是任何方向(例如使用者可能会躺着使用它)，一般都通过按键来使光标处于空位，启动游戏。由于每次启动游戏或光标控制时初始位置都被复位，所以并不需要精确的0g特性。

　　这个应用的关键技术条件是测量范围至少要达到±1.2g，同时，为避免手机放置在稳定的表面时光标抖动要求具有比较小的躁声水平(<500µg/(Hz)0.5)，带宽最好在0~50Hz之间(过小的带宽会使游戏变得迟缓)。由于游戏并没有连续的操作，所以尽管非常低的功耗是有利的，但并非必要。

　　通过测量重力向量，一个加速计可以确定手持设备是处于垂直状态还是水平状态，将其显示器切换到肖像模式或风景模式，由于任何显示模式下加速计都处于工作状态，所以这个应用最重要的要求是具有非常低的功耗。带宽一般都小于1Hz(通过软件滤波)以避免显示器因随机振动而翻转。

　　可以使用一个集成的全球定位系统(GPS)接收器或通过对基站的三角测量来确定手持设备的位置，但是由于显示器比较小，因此使用整个显示器来为使用者指示方向更为有利，通常使用电子罗盘来指示方向，但罗盘必须平行于地面才能将方向误差减小到最低，这个误差因距离地球磁赤道的距离大小而变化，例如，在波斯顿与地面的平行度每差一度，方向就偏离3度，使用移动电话时，罗盘倾斜度会达到45度，这样就会导致很大的误差，可以用一个加速计来确定手持设备相对于地面的实际方向以对这个误差进行补偿，这个加速计的关键技术条件是具有比较高的0g点偏差、灵敏度及稳定性，要使方向误差处于合理范围，加速计的整体误差要小于50mg。

　　在体育锻炼时，一个加速计可以很容易地统计步数，不过根据步数统计无法获得精确的行走距离，因为步长因人而异(大约相差±30%)，也取决于步行速度(一般大于±25%)。但是通过测量手机(装在口袋中或挂在皮带上)的加速度，就可以对行走距离给出一个非常好的估计。执行步数统计的公用算法精确度大于95%，步行距离估计的精确度大于90%。用于步数计的加速计要求具有低功耗特性(因为加速计需要不间断工作)，测量范围至少要达到±2g。

　　加速计也可以用来保护手持设备的微驱动器，由于这些微驱动器几乎没有任何空气动力阻尼可以避免驱动头撞到磁介质上，因此对机械振动非常敏感。我们可以用一个加速计来检测手持设备是否掉落，在掉到地面以前向驱动器发出信号及时将驱动头停放在安全位置。

　　这里，最明显的工作原理是测量三轴的向量和，如果向量和接近于0，那么手持设备一定是处于自由落体运动状态，这个方法仅在受到良好控制的下落运动(没有旋转)中可以获得满意的结果，实际上由于手持设备下落时的旋转会产生欺骗算法的向心力，所以这个方法并不理想。但是还有更多的方法可用来检测自由落体，其中一些方法仅需要一个两轴加速计。

　　由于在微驱动器工作的任何时间都需要落体检测加速计处于工作状态，所以要求其消耗非常少的功率，根据所使用算法的不同，需要一个测量范围至少达到±1.5g的两轴或三轴加速计。

　　采用加速计为移动电话增加运动检测可以使电话设计人员以比较低的成本为移动电话集成许多有用的功能。为便于将这些功能集成到设计中，可以提供其中几个功能的参考设计，限于篇幅，这里仅介绍了部分应用，从市场上可以获得更多功能。

作者：Harvey Weinberg