下一代無線傳感進一步向前發(fā)展

Ｍｉｃｈｅｌｌｅ　Ｋｅｌｓｅｙ

說到游戲業(yè)，你會發(fā)現(xiàn)運動傳感目前處于技術(shù)最前沿。當今的領(lǐng)先游戲平臺(及后續(xù)產(chǎn)品)均包含無線傳感手持遙控器。這種運動傳感遙控器可用來表現(xiàn)現(xiàn)實生活中的各種運動器材、如球拍、劍和方向盤。

當今的無線傳感遙控器

當今的動作游戲控制器中集成動作傳感功能，使紅外線LED與遙控上的光傳感器協(xié)同工作，這樣它就可以作為一個精確的定點設(shè)備(可達5m)。該控制器需要兩節(jié)AA電池作為電源，如果僅為加速計提供電源，電池的使用壽命可達60小時；而如果同時給加速計和指示器提供電源，電池的使用時間則只有25小時。

遙控器中的加速計是模擬輸出，靈敏度為±2g和±3g。動作由該加速計來檢測，電壓輸出發(fā)送至機載處理器，并進行數(shù)字化處理，然后通過藍牙協(xié)議發(fā)出，以實現(xiàn)低功耗和低輸入延遲、從而大幅減少動作控制和游戲響應之間的延遲。

當今的MEMS傳感器

MEMS加速計是測量靜態(tài)(由于地心引力的恒定力)和動態(tài)(由于運作或振動)加速度的傳感技術(shù)，取代了上一代游戲硬件控制所使用的按鈕。加速計傳感功能由g-cell(感應單元)實現(xiàn)。g-cell是使用半導體工藝(掩膜和刻蝕)形成的一種機械結(jié)構(gòu)，它使用半導體材料(多晶硅)，是一組連接到可移動中心軸上的梁：加速時，中心軸在兩個梁之間移動。

ASIC與g-cell一起，共同執(zhí)行信號放大、校準和濾波功能，提供與加速度成比例的輸出。隨著MEMS技術(shù)在遙控器中的集成，就可以為游戲控制的動作信號進行數(shù)字化處理。過去幾年，加速計的g-cell經(jīng)歷了一個不斷演進的過程。它在設(shè)計上提高了對加速度變化的靈敏度，同時降低了對封裝應力的靈敏度。封裝應力產(chǎn)生于印制電路板(PCB]組裝工藝中的板卡安裝過程。此外，該設(shè)計歷經(jīng)各種結(jié)構(gòu)變化。例如，飛思卡爾開發(fā)了一種單軸加速感應器，這種加速感應器有一個彈床式的G-Cell結(jié)構(gòu)，當向x和Y軸的G-Cell施加加速度時，會像彈床一樣傾斜。這個結(jié)構(gòu)設(shè)計為交叉手指型?？梢砸苿痈兄獂和Y軸的加速度。

g-cell設(shè)計已經(jīng)更改成一個XYZ三軸傳感結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，交叉手指部分感應x軸和Y軸加速度，整個中心軸的上下移動來感應z軸的加速度。XYZ三軸傳感解決方案的出現(xiàn)，使飛思卡爾在降低功耗、成本和尺寸的同時，進一步提高了產(chǎn)品性能。

運動傳感器向更高集成度發(fā)展

MEMS加速計最初是為汽車應用開發(fā)的，它們需要高度精確的加速／減速檢測來檢測撞車信號。直到研發(fā)了可以提高低加速度范圍(低重力范圍)檢測靈敏度的技術(shù)后，才出現(xiàn)了人機接口應用。過去10年，設(shè)計規(guī)范主要針對消費電子市場的小外形、低功耗、更高功能集成和更低成本目標。這一趨勢目前仍在繼續(xù)，尺寸方面現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)3×3mm²的封裝，而諸如自動喚醒、自動休眠、閾值、脈沖和下落檢測等特性現(xiàn)在已經(jīng)在產(chǎn)品中得到廣泛應用。飛思卡爾MMA7660FC就是這一趨勢的最好證明。例如，用于拍打和脈沖檢測的配置寄存器，就允許客戶指定閾值水平、持續(xù)時間和debouace filter(內(nèi)部抖動消除濾波器)。通過在傳感器內(nèi)集成眾多特性，客戶能夠在他們的硬件上快速實施解決方案，并且?guī)缀醪恍枰_發(fā)算法。這同樣降低了系統(tǒng)控制器的處理要求。

用無線實現(xiàn)更多可能

隨著傳感器功能和智能程度的提高，無線電的功能也在增加。飛思卡爾MC13224V包含一個運行在26MHz速率上的32位ARM7微控制器、兩個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、片上IEEE 802.15.4收發(fā)器、Flash存儲器、RAM、ROM和所有必需的RF匹配組件。你可能會問，要實現(xiàn)所有這些處理功能，需要哪些東西呢?許多無線傳感器應用都需要一個更智能的數(shù)據(jù)傳輸和分析網(wǎng)絡(luò)。所有動作處理都應在控制器上進行，這樣只向控制臺發(fā)送位置和動作向量信息，從而大幅降低網(wǎng)絡(luò)負載，而這對延遲非常敏感的應用(如游戲)至關(guān)重要。

人體傳感器網(wǎng)絡(luò)是缺失的一環(huán)

為了讓游戲系統(tǒng)能夠識別所有身體動作，它要求游戲硬件超越傳統(tǒng)意義上的手持控制器；因此，要求每個玩家身上的無線傳感網(wǎng)絡(luò)都進行游戲控制。安裝在手臂、腿、軀干和頭部的傳感器應當支持整個范圍的動作檢測。人體動作受限于身體關(guān)節(jié)，但即使有這些限制，似乎也能實現(xiàn)無限制的動作。加速計測量數(shù)據(jù)，如一只上肢的動作和傾斜，可以傳送給同樣測量動作和傾斜的另一只上肢。每個傳感器都可能充當數(shù)據(jù)節(jié)點，負責測量數(shù)據(jù)并將它發(fā)送到節(jié)點集群主機，然后再確定整體動作。這個無線集群主機配備處理功能，能夠?qū)ι眢w的一部分或全部的動作進行分析。這個主機還配備了更高帶寬的無線電，使用WLAN(IEEE 802.11)或藍牙(IEEE802.15.1)等協(xié)議，將信息發(fā)送到控制器上。由于藍牙協(xié)議最多只允許7個支持藍牙的器件，它在主處理節(jié)點上的效果最好，將玩家的所有動作信號發(fā)送給控制臺。但是，每個游戲機上的節(jié)點不能超過10個。

ZigBee協(xié)議設(shè)計用于可以在指定領(lǐng)域支持多個無線電的應用，而且這些無線電需要在無用戶干涉的情況下自動形成網(wǎng)絡(luò)。這對于游戲控制器來說是理想之選。打開控制器，就可以了解檢測新玩家，并馬上開始游戲。由于ZigBee協(xié)議是專為低功耗應用設(shè)計的，它能很好地滿足游戲控制器的需求，在游戲控制器中，可靠性、電池使用壽命和多功能性至關(guān)重要。

結(jié)論

目前，還沒有任何標準對人體傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行定義。但是，使用當今已經(jīng)上市的硬件、仍在繼續(xù)開發(fā)的動作算法，以及消費游戲動作檢測領(lǐng)域出現(xiàn)的明顯的更高精確性趨勢，游戲生產(chǎn)商可以開發(fā)出自己的獨有方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和傳感器數(shù)據(jù)融合。