觸控設(shè)備手勢喚醒的設(shè)計思路及其實(shí)現(xiàn)

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

　　廚房里的突發(fā)奇想

　　如果做飯時使用觸控設(shè)備，您可能會注意到按照設(shè)備列出的食譜烹飪并非想象得那么簡單。技術(shù)達(dá)人（例如鄙人）走進(jìn)廚房時，喜歡看著平板電腦或智能手機(jī)上的菜譜做飯。您可能會說：“好吧，這有什么難度？”由于屏幕始終開啟會消耗很大電量，通常手持裝置在1、2分鐘后沒有操作時將自動進(jìn)入休眠狀態(tài)。那么，當(dāng)您需要參照食譜時，設(shè)備已進(jìn)入休眠狀態(tài)。此事，您面臨兩個選擇：要么強(qiáng)制屏幕保持永久開啟；要么用沾滿食物的手開啟裝置，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。

　　我時常問自己：“怎樣才能既不讓屏幕始終開啟，又不會弄臟裝置？”實(shí)際上，有一種辦法一舉兩得，即通過一個手勢（不用接觸屏幕）開啟顯示屏。聽起來似乎很復(fù)雜，是嗎？幸運(yùn)的是，做起來可能比聽起來容易一些。

　　接近檢測傳感器

　　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）接近檢測傳感器。這些傳感器一般在通話期間自動打開/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，就能實(shí)現(xiàn)利用一個手勢喚醒裝置的功能。

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

　　首先記錄傳感器在“正常”背景下的計數(shù)值，此時得到的數(shù)值可能為零，但實(shí)際設(shè)計中需要考慮系統(tǒng)失調(diào)（例如：散射或串?dāng)_）。然后將得到的數(shù)值設(shè)置為檢測門限，當(dāng)接收信號超過門限時觸發(fā)中斷或向應(yīng)用處理器發(fā)送信號，以喚醒系統(tǒng)并打開屏幕。總體而言，這種方法非常簡單、直觀，可利用環(huán)境光檢測器和IR接近檢測傳感器實(shí)現(xiàn)。

　　本文介紹的方案采用MAX44000，接近檢測的數(shù)據(jù)讀取時間間隔可以設(shè)置在1.56ms至100ms （與環(huán)境光檢測傳感器輪流讀取數(shù)據(jù)）。假設(shè)最大檢測距離為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的最快手勢動作大約為0.53mps。在此，我們還假設(shè)傳感器只需要采集到一次高于門限的信號，即可識別經(jīng)過覆蓋區(qū)域的目標(biāo)。

　　舉手之勞...

　　理論上講，該方案的實(shí)施非常簡單。當(dāng)裝置進(jìn)入休眠模式時，將接近檢測傳感器置為環(huán)境掃描模式，并在檢測到目標(biāo)時發(fā)出中斷信號，指示捕捉到超過預(yù)設(shè)門限的信號?？赏ㄟ^I2C接口輪詢傳感器的狀態(tài)。不幸的是，這種方式會消耗過大功率，超出了大多數(shù)用戶的預(yù)期。

　　這也是接近檢測傳感器的設(shè)計重點(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)部接近檢測中斷（寄存器0x01的第1位），可將喚醒門限寫入內(nèi)部寄存器（0x0B和0x0C）。當(dāng)接近檢測傳感器的讀數(shù)超過該門限時，觸發(fā)中斷標(biāo)識置位，將MAX44000的/INT引腳置為低電平。當(dāng)應(yīng)用處理器檢測到該引腳驅(qū)動為低電平時，可喚醒裝置退出低功耗模式，并打開屏幕，或完成其它需要的動作。

　　...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)施并非只是簡單地檢測高于門限的信號。實(shí)際上，具體的設(shè)計需要考慮諸多因素。

　　信號電平與電路布局

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

　　解決這一問題的最佳方式是：首先降低系統(tǒng)噪聲，可以通過光學(xué)方法或嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐凡季?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/實(shí)現(xiàn)">實(shí)現(xiàn)，降低的噪底有助于降低誤報概率；其次，選擇“平均”檢測距離（例如：4cm至5cm）并利用參考目標(biāo)測量信號，18%的灰板比較理想，但如果觸摸屏上方安裝了黑色玻璃，測量時也應(yīng)該使用這樣的玻璃，所測得的信號電平可以作為設(shè)置門限的最佳參考。通?？梢宰裱@樣的原則：即將電平設(shè)置在滿幅的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傳感器的接近檢測門限寄存器，圖1所示為信號強(qiáng)度隨距離變化的關(guān)系曲線，采用18%灰板，驅(qū)動電流為100mA，傳感器上方?jīng)]有玻璃罩。藍(lán)線為可以選擇的喚醒門限。

　　圖1. MAX44000接近檢測傳感器信號強(qiáng)度隨距離變化的關(guān)系曲線，采用18%灰板，100mA驅(qū)動電流，沒有玻璃罩。