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)達人（例如鄙人）走進廚房時，喜歡看著平板電腦或智能手機上的菜譜做飯。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入休眠狀態(tài)。那么，當您需要參照食譜時，設(shè)備已進入休眠狀態(tài)。此事，您面臨兩個選擇：要么強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，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的輸入界面。這種傳感器技術(shù)，加上精明的軟件設(shè)計，就能實現(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，當接收到的信號足夠大時，做出適當反應(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，但實際設(shè)計中需要考慮系統(tǒng)失調(diào)（例如：散射或串擾）。然后將得到的數(shù)值設(shè)置為檢測門限，當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?？傮w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。

　　舉手之勞

　　理論上講，該方案的實施非常簡單。當裝置進入休眠模式時，將接近檢測傳感器置為環(huán)境掃描模式，并在檢測到目標時發(fā)出中斷信號，指示捕捉到超過預(yù)設(shè)門限的信號。可通過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，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）。當接近檢測傳感器的讀數(shù)超過該門限時，觸發(fā)中斷標識置位，將MAX44000的/INT引腳置為低電平。當應(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

　　實際應(yīng)用往往不如理論那么容易，非接觸喚醒的具體實施并非只是簡單地檢測高于門限的信號。實際上，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，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)方法或嚴謹?shù)碾娐凡季謱崿F(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。藍線為可以選擇的喚醒門限。

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

　　噪聲和低通濾波

　　需要考慮噪聲問題時，可利用低通濾波器處理信號；另外，MAX44000還有幾個控制位可以用作觸發(fā)中斷標識之前的屏蔽，采用這種設(shè)置時，需要檢測到一定數(shù)量超出門限的采樣值時才會觸發(fā)中斷標示，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)儲存在數(shù)據(jù)隊列中，然后利用定制的FIR軟件對其進行濾波處理。但這種方法需要提高接近檢測傳感器的采樣速率，否則則會降低能夠捕捉到的傳感器可視范圍內(nèi)的手勢動作速率，特別是把采樣速率設(shè)置在100ms時。利用器件的控制位屏蔽檢測時，速率可最多降低16倍（通常選擇4x屏蔽即可）。

　　手勢速度

　　手勢動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. 檢測門限。前兩項很容易確定：傳感器的檢測角度，結(jié)合傳感器與目標之間的距離，利用基本的三角形即可計算出傳感器可視范圍內(nèi)目標的移動距離。例如，如果傳感器的視角為30度，最大有效檢測距離10cm，那么，傳感器可視范圍內(nèi)允許的目標移動距離為5.35cm，覆蓋面積大約為78cm2.直線距離結(jié)合采樣率，即可決定速度限值。 具體地說，如果采樣率為T，那么目標跨越可視區(qū)域的時間不得小于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 （這實際上已經(jīng)相當快了）。您可能希望捕獲到多個采樣值來確認觸發(fā)喚醒，這樣的話，會降低允許的速率下限。

　　檢測門限也影響最大允許速率。一般來說，門限越低，能夠捕捉到的手勢動作就越快。如上所述，應(yīng)謹慎選擇門限，以免產(chǎn)生誤報。

　　人為因素

　　這種應(yīng)用還會受到人手以及揮手動作等人為因素的影響。應(yīng)通過一些案例確定一般大多數(shù)人的習(xí)慣，包括他們在屏幕前揮動手掌的速度以及與屏幕之間的距離，另外，是否戴手套也會產(chǎn)生一定的影響。不同的應(yīng)用場合（不同裝置）也會影響到設(shè)計需求，例如智能手機、平板電腦或汽車儀表盤，對存在具體的設(shè)計考慮。當然，設(shè)計過程中還應(yīng)考慮用戶界面和經(jīng)驗參數(shù)。

　　最后，還要對真假手勢做出判斷，即裝置需要判斷接收到的信號是來自于一個手勢動作，還是簡單的裝置移動（例如：放置在外套、口袋或背包中，或者是屏幕朝下放置）。單純依靠上述檢測原理，很難做出正確的“真?zhèn)?amp;rdquo;鑒別，除非在裝置內(nèi)提供更多的背景信息。關(guān)于這一問題的討論超出了本文范圍。

　　設(shè)計中可以選擇只有裝置進入特定的應(yīng)用程序時啟動喚醒方案，也可以由用戶手動操作使能。此外，許多此類裝置都有一個加速度傳感器，能夠檢測到屏幕是否背面朝下放置。如果用戶手動將裝置置于休眠模式，則可禁用該功能（例如關(guān)機狀態(tài)）。

　　設(shè)計實例

　　為方便起見，本文附帶了三段演示程序代碼。第一段代碼用于手動操作MAX44000的接近檢測數(shù)據(jù)讀取，概念上簡單實現(xiàn)喚醒功能；第二段代碼在第一段的基礎(chǔ)上進行了擴展，增加了之前討論的濾波功能；最后一段代碼演示利用MAX44000中斷喚醒觸控裝置。

　　示例代碼1

　　__interrupt void TimedInterrupt（ void ）

　　{

　　uint8 proximity_counts;

　　…

　　…

　　if （ device_status == SLEEP_MODE ）

　　{

　　// read one byte from register 0x16

　　proximity_counts = read_i2c_register（MAX44000_ADDR，0x16，1）；

　　if （proximity_counts >WAKEUP_THRESHOLD）

　　{

　　device_status = WAKE_MODE;

　　…

　　}

　　else

　　{

　　// do whatever it is you need to in sleep mode

　　…

　　…

　　}

　　}

　　…

　　…

　　}

　　示例代碼2

　　// example interrupt function where this might be implemented

　　__interrupt void TimedInterrupt（ void ）

　　{

　　uint8 proximity_counts;

　　uint8 filtered_counts;

　　…

　　…

　　if （ device_status == SLEEP_MODE ）

　　{

　　// read one byte from register 0x16

　　proximity_counts = read_i2c_register（MAX44000_ADDR，0x16，1）；

　　// weights［QUEUE_SIZE］ contains the filter weights for the FIR filter

　　// data_queue［QUEUE_SIZE］ is a FIFO queue meant to be the input to the filter

　　filtered_counts = fir_filter（proximity_counts，weights，data_queue）；

　　if （filtered_counts >WAKEUP_THRESHOLD）

　　{

　　device_status = WAKE_MODE;

　　…

　　}

　　else

　　{

　　// do whatever it is you need to in sleep mode

　　…

　　…

　　}

　　}

　　…

　　…

　　}

　　/**

　　* fir_filter（）

　　*

　　* Implements an FIR filter in the form

　　* y = w［0］*x［0］ + w［1］*x［1］ + …+ w［QUEUE_SIZE］*x［QUEUE_SIZE］

　　*

　　* Arguments：

　　* uint8 input - newest datapoint taken （that is， x［0］）

　　* uint8 *weights - w［0］…w［QUEUE_SIZE］

　　* uint8 *queue - the discrete sequence x［0］…x［QUEUE_SIZE］

　　*

　　* Returns：

　　* The FIR-filtered output， y

　　*/

　　uint8 fir_filter（uint8 input， uint8 *weights， uint8 *queue）

　　{

　　uint8 i;

　　int sum = 0;

　　// pop first entry in the queue， then

　　// push new data into the last position

　　push_into_queue（queue，input）；

　　// input is now x［0］

　　for （i=0; i {

　　sum += weights［i］*queue［i］;

　　}

　　return （sum/QUEUE_SIZE）；

　　}

　　示例代碼3

　　// this handles hardware-level interrupts on the micro

　　__interrupt void irq_handler（ void ）

　　{

　　…

　　// if the hardware interrupt came from the MAX44000 sensor

　　// pulling its \INT pin low

　　if （ irq_source == MAX44000 ）

　　{

　　// if the device is in sleep mode

　　if （device_status == SLEEP_MODE）

　　{

　　device_status = WAKE_MODE; // wake up the device

　　…

　　// reconfigure whatever else you need here as the system wakes up

　　}

　　// otherwise， handle it however it is you wish

　　else

　　{

　　…

　　}

　　}

　　…

　　}

　　/**

　　* configure_max44000_for_sleep_mode（）

　　*

　　* Sets up the MAX44000 to trigger a hardware interrupt when the proximity

　　* counts go above some set threshold.

　　*

　　* Arguments：

　　* uint8 upper_threshold - the set threshold （8-bit mode）

　　*

　　* Returns：

　　* n/a

　　*/

　　void configure_max44000_for_sleep_mode（uint8 upper_threshold）

　　{

　　uint8 max44000_thresh_registers［］ = {0x0B，0x0C};

　　uint8 max44000_upper_thresh［］ = {0x40，0};

　　max44000_upper_thresh［1］ = upper_threshold;

　　// do a consecutive write of 0 followed by upper_threshold to

　　// registers 0xB and 0xC， respectively

　　// MAX44000_ADDR is usually 0x94

　　// interrupt will trigger only if proximity value is above the threshold

　　write_i2c_register（MAX44000_ADDR，max44000_thresh_registers，

　　max44000_upper_thresh，2）；

　　// write to bits 2 and 3 of register 0x0A here if you wish to set the

　　// persist time to anything other than one sample

　　// writes to register 0x01 to enable interrupts on the MAX44000

　　max44000_enable_interrupt（）；

　　return;

　　}