移動(dòng)電話的銷售量每年都達(dá)到上億部,，雖然新用戶是重要市場(chǎng)，但這些銷售量的大部分來源是將其已有移動(dòng)電話升級(jí)為帶有最新功能的新電話的用戶,。移動(dòng)電話制造商和業(yè)務(wù)供應(yīng)的生存問題取決于在原有常規(guī)功能的基礎(chǔ)上提供新的“必備”功能的能力,。業(yè)務(wù)供應(yīng)商需要這些新功能帶來的增值業(yè)務(wù)以提高其收益（照相手機(jī)即是一個(gè)很好的例子——照相手機(jī)用戶通過業(yè)務(wù)供應(yīng)商的無線網(wǎng)絡(luò)給他們的朋友發(fā)送圖片或視頻，從而為業(yè)務(wù)供應(yīng)商帶來重要的積極收入）,，同時(shí)移動(dòng)電話制造商需要定期地更新他們具有新功能的系列產(chǎn)品以防止他們的產(chǎn)品過于商業(yè)化,。

使用MEMS加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)能提供許多新功能，包括增強(qiáng)移動(dòng)電話可用性,、可靠性和允許啟動(dòng)的新功能,。確實(shí)，一旦手持中裝有加速度計(jì)這種硬件,，只要簡(jiǎn)單地增加軟件便可實(shí)現(xiàn)其幾種新的功能,。本文將介紹移動(dòng)電話幾種新功能并解釋其工作原理。本文也討論在每一個(gè)應(yīng)用中起重要作用的器件性能,。

應(yīng)當(dāng)注意的是,，本文中提到的一些應(yīng)用和（或）算法可能受專利權(quán)保護(hù)。這里對(duì)它們的介紹僅為教學(xué)目的,。建議讀者在將這些技術(shù)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前尚需付出努力,。

手勢(shì)識(shí)別
手勢(shì)識(shí)別是一種用于描述如何使用動(dòng)作（或手勢(shì)）將命令輸入到電話的包羅萬象的短語。有許多種類型可能對(duì)檢測(cè)有興趣的手勢(shì)識(shí)別,；例如拿起振鈴電話,、清除誤操作鍵或者設(shè)置電話振鈴類型僅是下面將要介紹的兩個(gè)例子。

雖然手勢(shì)識(shí)別可有助于使人機(jī)界面更加直覺,，但是通常最好將手勢(shì)識(shí)別的數(shù)量限制到少于五或六種,。這樣用戶能夠容易記住幾種手勢(shì)的含義,，但是如果必需通過難以接受的學(xué)習(xí)才能掌握許多手勢(shì)則是失敗的。請(qǐng)記?。何覀兊哪繕?biāo)是使移動(dòng)電話更加容易使用,。

拿起電話檢測(cè)
實(shí)際上最好的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)采用用戶根本不用學(xué)習(xí)的自然動(dòng)作。一個(gè)很好的例子就是拿起振鈴電話,。雖然人們已經(jīng)習(xí)慣于按“發(fā)送（send）”按鈕接聽電話,，但是拿起電話并且將它移到耳邊則更加直覺。通過使用加速度計(jì),，當(dāng)感覺到移動(dòng)電話在響鈴后就已經(jīng)啟動(dòng)了正在被移動(dòng)的手機(jī),。拿起電話移到耳邊所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)可被加速度計(jì)檢測(cè)到并且被微控制器中斷。

如圖1所示,，在各種情形下每一個(gè)人拿起電話所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)流程極其相似,。這種類型的運(yùn)動(dòng)（當(dāng)運(yùn)動(dòng)加速度在瞬時(shí)之后減速到零并且它的位置發(fā)生變化，正如由15 cm～100 cm范圍內(nèi)的兩位整數(shù)確定的位置變化）相當(dāng)普遍,，所以當(dāng)電話振鈴時(shí)產(chǎn)生的這種運(yùn)動(dòng)幾乎確定地表示拿起電話,。這個(gè)概念是可靠的手勢(shì)識(shí)別的關(guān)鍵因素之一：使用前后關(guān)系有助于理解動(dòng)作的可能含義。

圖1. 移動(dòng)電話放到你的耳邊時(shí)的典型加速度波形

利用一只±2g測(cè)量范圍的三軸加速度計(jì)對(duì)于上述應(yīng)用已經(jīng)足夠,。在這種情況下對(duì)加速度計(jì)的性能要求是相當(dāng)適度的,。由于加速度計(jì)輸出經(jīng)過高通濾波（最可能由軟件完成）以濾除由于傾斜引起的加速度，所以在零加速度（0 g）處的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性并不重要,。其有用帶寬為1 Hz～50 Hz,。低噪聲（＜350μg/√Hz）性能對(duì)于將積分誤差降至最小是很有益處的。

搖晃清除
移動(dòng)電話鍵盤已經(jīng)如此小而密集以至于誤按按鍵的現(xiàn)象非常普遍,，這讓用戶很氣惱,。因此開發(fā)了諸如語音撥號(hào)的功能以方便用戶撥號(hào)，但此項(xiàng)功能似乎并未被用戶意識(shí)到,。由于不可能采用更大的鍵盤（因?yàn)槊總€(gè)人都需要小巧的移動(dòng)電話）,，因此使用戶盡可能容易地修正誤按按鍵的做法似乎是明智之舉。

例如長達(dá)半秒左右地猛力搖晃移動(dòng)電話的簡(jiǎn)單手勢(shì)可用來清除最后輸入的數(shù)字,。更長時(shí)間的搖晃可用來清除最后輸入的完整字符串,。此外，移動(dòng)電話會(huì)對(duì)該動(dòng)作做出很自然的響應(yīng),，并且為了使該算法更具魯棒性,，設(shè)計(jì)工程師可利用鍵盤使用指示來查找“清除”手勢(shì)。

在搖晃清除應(yīng)用中,，由于人搖晃在每一個(gè)坐標(biāo)軸向上都會(huì)產(chǎn)生加速度,，除非某人非常細(xì)心地僅在一個(gè)軸向上搖晃，所以使得單軸或雙軸加速度計(jì)對(duì)于該應(yīng)用已足夠。同樣地,，對(duì)加速度計(jì)性能的要求也是適度的,，因?yàn)樗褂昧烁咄V波器。在搖晃時(shí),，實(shí)際的加速度可能高達(dá)±10g,，但是±2g測(cè)量范圍已足夠用了，因?yàn)橄鞑ú粫?huì)負(fù)面地影響搖晃探測(cè)算法,。

環(huán)境感知
通過掌握移動(dòng)電話的使用環(huán)境（或前后關(guān)系）,，移動(dòng)電話會(huì)更加方便地使用。其中一個(gè)例子就是振鈴控制,。實(shí)際上,，所有的移動(dòng)電話都有可聽得見的振鈴器，也有非常適合于振動(dòng)模式的振動(dòng)器,。許多情形下，用戶可能傾向于使用某一種模式,。這種移動(dòng)電話能夠向用戶提供有關(guān)振鈴和振動(dòng)功能的參數(shù)選擇,。例如：

• 如果移動(dòng)電話放在餐桌或書桌上，那么無需使用振動(dòng)模式,，所以只能選擇振鈴模式,。
• 在開會(huì)或進(jìn)餐時(shí)，用戶可能不希望被打擾,。將移動(dòng)電話正面向下放在餐桌或書桌上,，用戶選擇靜音模式，在這種情況下振鈴器或振動(dòng)模式都不能選擇,。
• 如果移動(dòng)電話放在衣袋中,，智能使用振動(dòng)模式。

 
雖然上述這些模式中的每一種都能通過手工鍵入（使用鍵盤操作）,，但是如果有自動(dòng)設(shè)置工作模式的移動(dòng)電話就會(huì)更加方便,。可用一只加速度計(jì)測(cè)定移動(dòng)電話的方位,，不論它是否放在餐桌或書桌上,。因此移動(dòng)電話能夠自動(dòng)地確定所需要的振鈴模式。

可使用一只三軸加速度計(jì)測(cè)量移動(dòng)電話的方位,。書桌或餐桌表面非常穩(wěn)定的,，實(shí)際上它總是與地球表面幾乎平行。因此放在書桌上的一部移動(dòng)電話只有一個(gè)軸向的加速度大約為-1g,，而其它兩個(gè)方向幾乎為零（魯棒性算法允許測(cè)量值在-1g或0附近有一個(gè)允許誤差以便與水平位置的微小偏差或由溫度引起的微小0 g點(diǎn)漂移不會(huì)影響算法）,。同時(shí)該加速度計(jì)還可測(cè)量放在堅(jiān)固桌面上一動(dòng)電話的微小振動(dòng)。

同理，“移動(dòng)電話正面向下”可以根據(jù)單軸向振動(dòng)的方法確定,，即其中有一個(gè)適當(dāng)?shù)妮S向（該軸取決于手機(jī)中加速度計(jì)如何裝配）的加速度為1 g而其它兩個(gè)軸向的加速度幾乎為零,。衣袋中的移動(dòng)電話受到的振動(dòng)和移動(dòng)很多，所以它根本不可能處于一個(gè)與地表平行的平面,。放在桌上和衣袋里（用戶坐在椅子上）的裝配ADXL330的移動(dòng)電話的典型波形圖如圖2所示,。顯而易見，這兩種情形只根據(jù)噪聲輸出的差別就能區(qū)分,，即使有微小的移動(dòng),。

圖2 桌面上的手機(jī)與口袋中的手機(jī)軸向加速度的測(cè)量結(jié)果

在環(huán)境感知應(yīng)用中需要測(cè)量范圍大于±1.2g的三軸加速度計(jì)。當(dāng)測(cè)量手機(jī)的絕對(duì)傾角時(shí),，要求加速度計(jì)有好的0 g點(diǎn)性能,，特別是0 g點(diǎn)隨溫度變化的穩(wěn)定性（1 mg/°C應(yīng)足夠）。還要求低噪聲性能（＜350μg/√Hz ）以便容易區(qū)分移動(dòng)電話是位于衣袋中還是桌面上,。

對(duì)于拿起電話檢測(cè)或搖晃清除功能,，僅當(dāng)特定事件發(fā)生時(shí)（電話振鈴或鍵盤輸入）才可能開啟加速度計(jì)。因此很低功耗是用戶所希望的,，但不是必需的,。然而對(duì)于設(shè)置成振鈴模式的加速度計(jì)，大部分時(shí)間都處于開啟狀態(tài),，所以非常低的功耗工作是至關(guān)重要的,。像ADI公司的ADXL330三軸加速度計(jì)，其功耗電流僅為200 μA (Vs = 2V),，因此不會(huì)過分地降低電池工作壽命,。

光標(biāo)或游戲機(jī)控制
加速度計(jì)可作為控制系統(tǒng)光標(biāo)的輸入或者游戲機(jī)的輸入。左右傾斜或前后翻倒移動(dòng)電話可左右或上下移動(dòng)屏幕上的光標(biāo),。這種功能是大家熟知的并且已被集成到幾個(gè)獨(dú)立的游戲機(jī)（例如任天堂公司的滾滾卡比游戲）和游戲控制器（例如微軟公司的Freestyle Pro控制器）中,。跳躍動(dòng)作還引入了第3個(gè)軸（Z軸）。與大多數(shù)移動(dòng)電話中采用的標(biāo)準(zhǔn)8位置控制不同,，加速度計(jì)能提供可變的（模擬）控制,。用戶手機(jī)傾斜得越大，光標(biāo)移動(dòng)速度越快,。由于采用傾斜作為一種模擬信號(hào)輸入并且與電話鍵盤輸入方式相結(jié)合,，所以可用一只手完成復(fù)雜的輸入組合。

由于移動(dòng)電話的初始位置可能位于任何方向（例如,，用戶可能處于平躺狀態(tài)）,，因此游戲通常通過某一按鍵將光標(biāo)位置設(shè)置在屏幕中間位置。從初始位置開始,，移動(dòng)電話可用X軸或Z軸（假定X軸沿電話的長度方向,，Z軸沿電話的厚度方向）控制選擇上下方向。因?yàn)槊看螁?dòng)游戲或光標(biāo)控制時(shí)其初始位置都被復(fù)位，所以無需精確的0 g性能,。

本應(yīng)用中加速度計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)是至少±1.2 g的測(cè)量范圍,。要求低噪聲性能（＜500μg/√Hz ）以便防止當(dāng)移動(dòng)電話放在穩(wěn)定的桌面上時(shí)出現(xiàn)光標(biāo)抖動(dòng)。0～50 Hz帶寬比較合適（較窄的帶寬低會(huì)使游戲出現(xiàn)遲緩）,。由于游戲不會(huì)連續(xù)地玩,，所以很低的功耗固然非常有利，但是不完全必需,。

動(dòng)態(tài)顯示配置
通常,，移動(dòng)電話的顯示采用人物模式。大多數(shù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的文件（網(wǎng)頁等）都采用景物模式,。加速度計(jì)通過測(cè)量重力矢量能夠確定手機(jī)是處于垂直方位還是水平方位（如果手機(jī)處于水平方位，還需要確定其水平的兩個(gè)可能方位）,。如果知道了手機(jī)的位置,，就可以重新配置它的顯示模式以便顯示器總是保持正面朝著用戶。

在動(dòng)態(tài)顯示配置應(yīng)用中,，最重要的要求是低功耗,，因?yàn)闊o論顯示器是否打開加速度計(jì)總是處于開啟狀態(tài)。帶寬通常設(shè)置為小于1 Hz（通過軟件濾波）以便不會(huì)因隨機(jī)振動(dòng)而引起顯示晃動(dòng),。

導(dǎo)航
集成的全球定位系統(tǒng)（GPS）或基站的三角網(wǎng)能用來確定移動(dòng)電話的位置,。但是利用現(xiàn)有的這種小顯示屏,，對(duì)于用來完整顯示用戶前面的環(huán)境是非常有利的,。正常情況下采用電子式指南針確定機(jī)首方位，但是指南針必須與地球表面保持平行以便機(jī)首方位誤差最小,。這種誤差依賴于到地球的地磁赤道的距離變化,。例如在北京，指南針與地球表面平行方向每偏離1度（°）,，會(huì)導(dǎo)致3°的機(jī)首方位誤差,。當(dāng)用戶使用移動(dòng)電話時(shí)，指南針可能傾斜與水平方向成45°,，從而會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)首方位誤差,。可使用加速度計(jì)能用來確定手機(jī)（和指南針）相對(duì)地球表面的實(shí)際方位以補(bǔ)償這種誤差,。

導(dǎo)航應(yīng)用中加速度計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)是高0 g偏置以及高靈敏度準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,。其總誤差應(yīng)小于50 mg以便減小機(jī)首方位誤差達(dá)到合理值。

計(jì)步器
在我們的健康意識(shí)日益提高的世界,，實(shí)際上存在著采用各種靈巧器械的運(yùn)動(dòng)模式,。為移動(dòng)電話增加一片計(jì)步器——你幾乎走到哪里都攜帶的一片精巧的便攜式電子設(shè)備，是一種顯而易見的應(yīng)用。用戶可以測(cè)量他們已經(jīng)走了多遠(yuǎn)并且已消耗了多少卡路里能量,。在當(dāng)今市場(chǎng)上確實(shí)有幾款這種功能的手機(jī),。

雖然加速度計(jì)可以很容易地完成計(jì)算行走的步數(shù)，然而由于步長因人而異（大約相差±30%）并且檢測(cè)結(jié)果也取決于人的行走速度（通常誤差大于±25%）,，所以不能精確檢測(cè)出在經(jīng)過的距離內(nèi)的行走步數(shù),。但是通過實(shí)際測(cè)量移動(dòng)電話（在衣袋中或掛在腰帶上）所經(jīng)歷的加速度可以對(duì)經(jīng)過的距離做出非常好的估計(jì)。公共領(lǐng)域已有算法可保證步進(jìn)計(jì)數(shù)器的精度優(yōu)于95%,，行走距離的精度優(yōu)于90%（請(qǐng)見ADI公司關(guān)于該算法的應(yīng)筆記AN-602）,。

計(jì)步器要求加速度計(jì)具有很低的功耗（因?yàn)榧铀俣扔?jì)實(shí)際上總是處于開啟狀態(tài)）和至少±2 g的測(cè)量范圍。

磁盤驅(qū)動(dòng)器保護(hù)
因?yàn)橐苿?dòng)電話集成了數(shù)百萬象素的照相機(jī),、MP3播放器以及其它的密集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,，所以它們正在越來越多地轉(zhuǎn)向微磁盤驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。如果沒有可用的空氣動(dòng)力緩沖以防止磁頭撞擊磁性介質(zhì),，這些微驅(qū)動(dòng)器對(duì)機(jī)械撞擊很敏感,。因此可采用一只加速度計(jì)來檢測(cè)手機(jī)是否跌落，如果跌落便產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)以便在手機(jī)撞擊地面之前鎖定其讀寫磁頭停在一個(gè)安全位置,。

最明顯的工作原理是通過測(cè)量三個(gè)軸向的加速度的矢量和來確定手機(jī)所處的狀態(tài),。如果該矢量和接近于零，則該手機(jī)一定處于自由落體狀態(tài),。這種方法只有在嚴(yán)格控制的下降過程中才能很好地工作——處于無旋轉(zhuǎn)的狀態(tài),。實(shí)際上這種方法并不能很好地工作，因?yàn)槭謾C(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向心力會(huì)影響算法造?，F(xiàn)已有多種其它比較復(fù)雜的自由落體檢測(cè)算法,。其中一些算法僅需要一只雙軸加速度計(jì)即可完成。（請(qǐng)見《Analog Dialogue （模擬對(duì)話雜志）》2005年11月刊,。欲獲取這種方法的參考設(shè)計(jì),，請(qǐng)?jiān)L問http://www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/45116188151536hdd.pdf）

手機(jī)跌落檢測(cè)要求加速度計(jì)的功耗非常低，因?yàn)槠湮Ⅱ?qū)動(dòng)器總是處于開啟狀態(tài),。它需要測(cè)量范圍至少為±1.5 g的兩軸或三軸加速度計(jì),，具體取決于所用的算法。

結(jié)束語
使用一只加速度計(jì)為移動(dòng)電話增加運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能,，從而允許移動(dòng)電話設(shè)計(jì)工程師能以低成本集成許多有用的功能?，F(xiàn)在可提供實(shí)現(xiàn)幾種功能的參考設(shè)計(jì)以便促進(jìn)將其整合到移動(dòng)電話設(shè)計(jì)中。本文提到的僅是部分應(yīng)用,，目前市場(chǎng)上正在提供許多其它的應(yīng)用,，甚至更多的應(yīng)用還蘊(yùn)育在聰明的設(shè)計(jì)工程師的創(chuàng)造之中。