中心論題：
- MEMS加速計應用于手持設備概述
- 介紹幾種采用加速計為移動(dòng)電話(huà)增加的有用功能
解決方案：
- 簡(jiǎn)單姿態(tài)識別選用測量范圍為±2g的三軸加速計
- 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
- 控制系統光標或作為游戲的輸入測量范圍至少要達到±1.2g三軸加速計
以微機電系統(MEMS)集成電路(IC)形式實(shí)現的運動(dòng)傳感器正在蜂窩手持設備的未來(lái)發(fā)揮關(guān)鍵作用，這些MEMS加速計使移動(dòng)電話(huà)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(huà)設計中正在更迅速地采用MEMS加速計，并得到由軟件實(shí)現的新穎功能的支持。
姿態(tài)識別是一個(gè)描述如何采用運動(dòng)形式給手持設備增加命令的術(shù)語(yǔ)，例如拿起正在振鈴的電話(huà)和清除按錯鍵這樣的動(dòng)作。姿態(tài)識別可以簡(jiǎn)化電話(huà)/人之間的接口，但一般所能存儲的姿態(tài)限于5到6個(gè)姿態(tài)(按典型存儲容量考慮)。最好的姿態(tài)識別系統采用象“拿起”一個(gè)電話(huà)(而不是按下“發(fā)送”鍵)這樣幾乎不需要學(xué)習或存儲的自然運動(dòng)。采用加速計，就可以感覺(jué)到振鈴后手持設備的移動(dòng)，加速計測到拿起電話(huà)送到耳邊這個(gè)動(dòng)作，然后由一個(gè)微處理器來(lái)負責解釋(圖1)?！ ?/p>
圖1：圖中波形是檢測拿起手機并送到耳邊這個(gè)動(dòng)作的加速計所測到的姿態(tài)運動(dòng)。
雖然這種類(lèi)型的運動(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(zhù)拿起電話(huà)這樣一個(gè)含義。這個(gè)概念是可靠姿態(tài)識別的關(guān)鍵因素之一：采用上下文來(lái)理解動(dòng)作代表的含義。滿(mǎn)足這種類(lèi)型動(dòng)作測量的傳感器需要一個(gè)測量范圍為±2g的三軸加速計，加速計輸出經(jīng)過(guò)高通濾波(可能通過(guò)軟件實(shí)現)以排除傾斜產(chǎn)生的加速度，所以0g下的精確度或穩定性并不重要，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(dòng)電話(huà)的鍵盤(pán)尺寸比較小，按錯鍵是常見(jiàn)現象，可以采用晃動(dòng)手持設備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(cháng)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(pán)標識來(lái)尋找“清除”動(dòng)作。除非某人特別細心而僅在一個(gè)軸向晃動(dòng)手持設備，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)單軸或雙軸加速計就非這個(gè)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(dòng)時(shí)實(shí)際加速度有可能達到±10 g，但由于削波不會(huì )對晃動(dòng)檢測算法產(chǎn)生負面影響，因此±2g的范圍就足夠了。
感知移動(dòng)電話(huà)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(gè)手機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(hù)不希望打擾的場(chǎng)所，可以通過(guò)將手機面朝下放置來(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)控制的手機會(huì )更方便。具體而言，可以采用一個(gè)加速計來(lái)確定電話(huà)的方向及是否放置在桌面上，這樣手機可以自動(dòng)選擇合適的振鈴模式。
手持設備的方向可以用一個(gè)三軸加速計來(lái)測量。桌面是穩定的，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)。當放置在堅實(shí)的表面上時(shí)加速度幾乎測不到任何振動(dòng)，如果沒(méi)有測到振動(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(shí)ADXL330 MEMS加速計所測量到的波形。
這個(gè)應用需要一個(gè)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(shí)需要具備良好的0 g點(diǎn)溫度穩定性(1mg/°C應該是足夠了)，同時(shí)為了便于區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(dòng)作或通過(guò)晃動(dòng)來(lái)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(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)加速計可以用做一個(gè)輸入來(lái)控制系統光標或作為游戲的輸入，可以通過(guò)前后左右傾倒手機來(lái)前后上下移動(dòng)光標，這個(gè)功能已經(jīng)集成到好幾個(gè)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(dòng)作集成了第三個(gè)軸加速計。與大多數手持設備的8位控制標準不同，一個(gè)加速計還可以實(shí)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(huì )躺著(zhù)使用它)，一般都通過(guò)按鍵來(lái)使光標處于空位，啟動(dòng)游戲。由于每次啟動(dòng)游戲或光標控制時(shí)初始位置都被復位，所以并不需要精確的0g特性。
這個(gè)應用的關(guān)鍵技術(shù)條件是測量范圍至少要達到±1.2g，同時(shí)，為避免手機放置在穩定的表面時(shí)光標抖動(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)測量重力向量，一個(gè)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(fēng)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(gè)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(guò)軟件濾波)以避免顯示器因隨機振動(dòng)而翻轉。
可以使用一個(gè)集成的全球定位系統(GPS)接收器或通過(guò)對基站的三角測量來(lái)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(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(huà)時(shí)，羅盤(pán)傾斜度會(huì )達到45度，這樣就會(huì )導致很大的誤差，可以用一個(gè)加速計來(lái)確定手持設備相對于地面的實(shí)際方向以對這個(gè)誤差進(jìn)行補償，這個(gè)加速計的關(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(shí)，一個(gè)加速計可以很容易地統計步數，不過(guò)根據步數統計無(wú)法獲得精確的行走距離，因為步長(cháng)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(gè)非常好的估計。執行步數統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(lái)保護手持設備的微驅動(dòng)器，由于這些微驅動(dòng)器幾乎沒(méi)有任何空氣動(dòng)力阻尼可以避免驅動(dòng)頭撞到磁介質(zhì)上，因此對機械振動(dòng)非常敏感。我們可以用一個(gè)加速計來(lái)檢測手持設備是否掉落，在掉到地面以前向驅動(dòng)器發(fā)出信號及時(shí)將驅動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，這個(gè)方法僅在受到良好控制的下落運動(dòng)(沒(méi)有旋轉)中可以獲得滿(mǎn)意的結果，實(shí)際上由于手持設備下落時(shí)的旋轉會(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)檢測自由落體，其中一些方法僅需要一個(gè)兩軸加速計。
由于在微驅動(dòng)器工作的任何時(shí)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(gè)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(dòng)電話(huà)增加運動(dòng)檢測可以使電話(huà)設計人員以比較低的成本為移動(dòng)電話(huà)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(gè)功能的參考設計，限于篇幅，這里僅介紹了部分應用，從市場(chǎng)上可以獲得更多功能。
