簡(jiǎn)單手勢(shì)喚醒便攜設(shè)備的設(shè)計(jì)思路及其代碼

本文討論如何喚醒平板電腦等觸控裝置，無(wú)需接觸設(shè)備，而是采用基本的手勢(shì)識(shí)別及新穎的接近檢測(cè)傳感器。本文討論了相關(guān)設(shè)計(jì)的物理布局、速度限制、檢測(cè)門(mén)限、系統(tǒng)集成，以及人為因素的影響；給出了軟件實(shí)時(shí)的例程。

廚房里的突發(fā)奇想

如果做飯時(shí)使用觸控設(shè)備，您可能會(huì)注意到按照設(shè)備列出的食譜烹飪并非想象得那么簡(jiǎn)單。技術(shù)達(dá)人(例如鄙人)走進(jìn)廚房時(shí)，喜歡看著平板電腦或智能手機(jī)上的菜譜做飯。您可能會(huì)說(shuō)：“好吧，這有什么難度？”由于屏幕始終開(kāi)啟會(huì)消耗很大電量，通常手持裝置在1、2分鐘后沒(méi)有操作時(shí)將自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。那么，當(dāng)您需要參照食譜時(shí)，設(shè)備已進(jìn)入休眠狀態(tài)。此事，您面臨兩個(gè)選擇：要么強(qiáng)制屏幕保持永久開(kāi)啟；要么用沾滿(mǎn)食物的手開(kāi)啟裝置，而在屏幕上留下斑斑油漬。當(dāng)然，您可以在每次查看時(shí)把手清洗干凈，但不斷重復(fù)洗手、擦干即繁瑣，又費(fèi)水。

我時(shí)常問(wèn)自己：“怎樣才能既不讓屏幕始終開(kāi)啟，又不會(huì)弄臟裝置？”實(shí)際上，有一種辦法一舉兩得，即通過(guò)一個(gè)手勢(shì)(不用接觸屏幕)開(kāi)啟顯示屏。聽(tīng)起來(lái)似乎很復(fù)雜，是嗎？幸運(yùn)的是，做起來(lái)可能比聽(tīng)起來(lái)容易一些。

接近檢測(cè)傳感器

許多觸摸屏裝置，尤其是智能手機(jī)，內(nèi)部已經(jīng)安裝了紅外(IR)接近檢測(cè)傳感器。這些傳感器一般在通話(huà)期間自動(dòng)打開(kāi)/關(guān)閉屏幕，以避免意外操作手機(jī)的輸入界面。這種傳感器，加上精明的軟件設(shè)計(jì)，就能實(shí)現(xiàn)利用一個(gè)手勢(shì)喚醒裝置的功能。

基本的設(shè)計(jì)思路是：設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，觸摸屏關(guān)閉，應(yīng)用處理器處于低功耗模式，依靠接近檢測(cè)傳感器“觀(guān)察”背景的變化，當(dāng)接收到的信號(hào)足夠大時(shí)，做出適當(dāng)反應(yīng)。這與接近檢測(cè)傳感器在通話(huà)期間關(guān)閉屏幕的功能幾乎完全相同。只是，我們的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)有了不同的解釋。

首先記錄傳感器在“正?！北尘跋碌挠?jì)數(shù)值，此時(shí)得到的數(shù)值可能為零，但實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮系統(tǒng)失調(diào)(例如：散射或串?dāng)_)。然后將得到的數(shù)值設(shè)置為檢測(cè)門(mén)限，當(dāng)接收信號(hào)超過(guò)門(mén)限時(shí)觸發(fā)中斷或向應(yīng)用處理器發(fā)送信號(hào)，以喚醒系統(tǒng)并打開(kāi)屏幕?？傮w而言，這種方法非常簡(jiǎn)單、直觀(guān)，可利用環(huán)境光檢測(cè)器和IR接近檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)。

本文介紹的方案采用MAX44000，接近檢測(cè)的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間間隔可以設(shè)置在1.56ms至100ms (與環(huán)境光檢測(cè)傳感器輪流讀取數(shù)據(jù))。假設(shè)最大檢測(cè)距離為10cm，LED的輻射角為±15°，那么，可以覆蓋的面積大約為22cm2或跨距大約為5.35cm，只有該區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)才能捕捉到。由此，能夠以最慢(即最低功耗)的采樣速度可靠檢測(cè)的最快手勢(shì)動(dòng)作大約為0.53mps。在此，我們還假設(shè)傳感器只需要采集到一次高于門(mén)限的信號(hào)，即可識(shí)別經(jīng)過(guò)覆蓋區(qū)域的目標(biāo)。

舉手之勞...

理論上講，該方案的實(shí)施非常簡(jiǎn)單。當(dāng)裝置進(jìn)入休眠模式時(shí)，將接近檢測(cè)傳感器置為環(huán)境掃描模式，并在檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)，指示捕捉到超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)限的信號(hào)。可通過(guò)I2C接口輪詢(xún)傳感器的狀態(tài)。不幸的是，這種方式會(huì)消耗過(guò)大功率，超出了大多數(shù)用戶(hù)的預(yù)期。

這也是接近檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，MAX44000傳感器能夠在許多方面擺脫應(yīng)用處理器的干預(yù)，減輕處理器負(fù)荷(降低功耗)。

使能MAX44000的內(nèi)部接近檢測(cè)中斷(寄存器0x01的第1位)，可將喚醒門(mén)限寫(xiě)入內(nèi)部寄存器(0x0B和0x0C)。當(dāng)接近檢測(cè)傳感器的讀數(shù)超過(guò)該門(mén)限時(shí)，觸發(fā)中斷標(biāo)識(shí)置位，將MAX44000的/INT引腳置為低電平。當(dāng)應(yīng)用處理器檢測(cè)到該引腳驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，可喚醒裝置退出低功耗模式，并打開(kāi)屏幕，或完成其它需要的動(dòng)作。

…但不容忽視

實(shí)際應(yīng)用往往不如理論那么容易，非接觸喚醒的具體實(shí)施并非只是簡(jiǎn)單地檢測(cè)高于門(mén)限的信號(hào)。實(shí)際上，具體的設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素。

信號(hào)電平與電路布局

最關(guān)鍵的考慮應(yīng)該是觸發(fā)喚醒條件的信號(hào)電平，需要在系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度與誤報(bào)概率之間進(jìn)行權(quán)衡。如果門(mén)限過(guò)低，則很容易檢測(cè)到輸入(手勢(shì)工作)，但會(huì)增大瞬態(tài)噪聲或突發(fā)條件產(chǎn)生誤報(bào)的概率。反之，過(guò)高的檢測(cè)門(mén)限能夠把誤報(bào)概率降至幾乎為零，但卻只能檢測(cè)到非常接近的目標(biāo)，甚至對(duì)任何輸入(即使您瘋狂晃動(dòng)手臂)都反應(yīng)遲鈍。

解決這一問(wèn)題的最佳方式是：首先降低系統(tǒng)噪聲，可以通過(guò)光學(xué)方法或嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐凡季謱?shí)現(xiàn)，降低的噪底有助于降低誤報(bào)概率；其次，選擇“平均”檢測(cè)距離(例如：4cm至5cm)并利用參考目標(biāo)測(cè)量信號(hào)，18%的灰板比較理想，但如果觸摸屏上方安裝了黑色玻璃，測(cè)量時(shí)也應(yīng)該使用這樣的玻璃，所測(cè)得的信號(hào)電平可以作為設(shè)置門(mén)限的最佳參考。通常可以遵循這樣的原則：即將電平設(shè)置在滿(mǎn)幅的8%至15%，即使電平發(fā)生變化。

可以按照上述經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置MAX44000傳感器的接近檢測(cè)門(mén)限寄存器，圖1所示為信號(hào)強(qiáng)度隨距離變化的關(guān)系曲線(xiàn)，采用18%灰板，驅(qū)動(dòng)電流為100mA，傳感器上方?jīng)]有玻璃罩。藍(lán)線(xiàn)為可以選擇的喚醒門(mén)限。

圖1. MAX44000接近檢測(cè)傳感器信號(hào)強(qiáng)度隨距離變化的關(guān)系曲線(xiàn)，采用18%灰板，100mA驅(qū)動(dòng)電流，沒(méi)有玻璃罩。

噪聲和低通濾波

需要考慮噪聲問(wèn)題時(shí)，可利用低通濾波器處理信號(hào)；另外，MAX44000還有幾個(gè)控制位可以用作觸發(fā)中斷標(biāo)識(shí)之前的屏蔽，采用這種設(shè)置時(shí)，需要檢測(cè)到一定數(shù)量超出門(mén)限的采樣值時(shí)才會(huì)觸發(fā)中斷標(biāo)示，能夠在一定程度上降低噪聲的影響。

一種稍微復(fù)雜的方法是將傳感器的讀數(shù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)隊(duì)列中，然后利用定制的FIR軟件對(duì)其進(jìn)行濾波處理。但這種方法需要提高接近檢測(cè)傳感器的采樣速率，否則則會(huì)降低能夠捕捉到的傳感器可視范圍內(nèi)的手勢(shì)動(dòng)作速率，特別是把采樣速率設(shè)置在100ms時(shí)。利用器件的控制位屏蔽檢測(cè)時(shí)，速率可最多降低16倍(通常選擇4x屏蔽即可)。

手勢(shì)速度

手勢(shì)動(dòng)作的快慢是我們需要考慮的另一因素。最大速度取決于：1. 傳感器的可視范圍；2. 手與傳感器之間的距離；3. 采樣率；4. 檢測(cè)門(mén)限。前兩項(xiàng)很容易確定：傳感器的檢測(cè)角度，結(jié)合傳感器與目標(biāo)之間的距離，利用基本的三角形即可計(jì)算出傳感器可視范圍內(nèi)目標(biāo)的移動(dòng)距離。例如，如果傳感器的視角為30度，最大有效檢測(cè)距離10cm，那么，傳感器可視范圍內(nèi)允許的目標(biāo)移動(dòng)距離為5.35cm，覆蓋面積大約為78cm2。直線(xiàn)距離結(jié)合采樣率，即可決定速度限值。具體地說(shuō)，如果采樣率為T(mén)，那么目標(biāo)跨越可視區(qū)域的時(shí)間不得小于T。例如，如果T為100ms (MAX44000的最低采樣速率)，那么按照上例，理論上最大允許的速率為1mps (這實(shí)際上已經(jīng)相當(dāng)快了)。您可能希望捕獲到多個(gè)采樣值來(lái)確認(rèn)觸發(fā)喚醒，這樣的話(huà)，會(huì)降低允許的速率下限。