淺析傳感器件在智能遙控器上的應(yīng)用

摘 要：隨著各種傳感器件的不斷開發(fā)運(yùn)用和智能電視的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的紅外單一控制方式己不能滿足智能電視的操控需求，于是具有各種功能的智能遙控器產(chǎn)品隨之產(chǎn)生。這些智能遙控器功能主要包括以下幾類：按鍵功能、鼠標(biāo)功能、語音輸入功能、游戲手柄功能、手勢識(shí)別功能等。要實(shí)現(xiàn)這些功能就離不開各類傳感器件的使用，本文主要就幾類通用的傳感器件如何在智能遙控器上的應(yīng)用作一個(gè)淺析。

關(guān)鍵詞：傳感器；智能遙控器

中圖分類號(hào)：TP872

1 傳感器特性及原理

近兩年來涌現(xiàn)出來可用于智能遙控器的各類傳感器主要有以下幾類：電容式傳感器、電壓式傳感器、電磁式傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、地磁傳感器、OFN（手指光電導(dǎo)航）、聲音傳感器等；其中電容式傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、OFN這四類被應(yīng)用得最為廣泛。

1.1 電容式傳感器

電容式傳感器在原理上其基本構(gòu)成包括了一個(gè)接收器Tx與一個(gè)發(fā)射器Rx，在接收器與發(fā)射器走線之間會(huì)形成一個(gè)電場。當(dāng)有物體靠近時(shí)，電極的電場就會(huì)發(fā)生改變，從而感應(yīng)出物體的位移變化量?；蛘咄ㄟ^改變兩電極距離來改變接收器和發(fā)射器之間的電場變化，從而通過電場的變化量來計(jì)算兩電極距離的變化量。

1.2 加速度傳感器

多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。所謂的壓電效應(yīng)就是“對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)”。一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形會(huì)產(chǎn)生電壓這個(gè)特性。只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。

1.3 角速度傳感器

不同的公司開發(fā)的角速度傳感器其結(jié)構(gòu)及工藝會(huì)有較大的不同，三菱電子公司開發(fā)的角速度傳感器為玻璃一硅一玻璃結(jié)構(gòu)，其諧振部分是一個(gè)用浸蝕①法制成的硅梁，通過外置振蕩器激發(fā)，其諧振頻率約為4KHz。梁的厚度與硅片相同，它的寬度和長度通過浸蝕加工來決定。硅梁和玻璃支架的連接采用了真空下的陽極焊接工藝，以確保其固有頻率變化很小。角速度的變化可根據(jù)硅梁振動(dòng)頻率變化引起的梁兩側(cè)玻璃支架上金屬電極間的電容變化值測出。傳感器電路由電容電壓（C—V）轉(zhuǎn)換器和同步解調(diào)器構(gòu)成。C—V轉(zhuǎn)換器是一個(gè)轉(zhuǎn)換電容的比較器（ASIC）。

1.4 OFN（Optical Finger Navigation）

OFN模組，通常由紅外LED光源、遮光觸摸面板、光學(xué)透鏡組和具有光敏陣列的片上處理/控制芯片組成，一般制作在便于集成應(yīng)用的柔性線路FPC（Flexible Printing Circuit）板上。OFN模組的工作原理如下：當(dāng)手指接觸遮光觸摸面板，光敏陣列檢測到有目標(biāo)活動(dòng)，喚醒片上系統(tǒng)SoC投入正常工作狀態(tài)，紅外LED發(fā)光，啟動(dòng)檢測光路，通過光學(xué)透鏡組的折射和聚焦，由光敏陣列得到一幕一幕的圖像數(shù)據(jù)信息；SoC從中抽象出不同的運(yùn)動(dòng)矢量MV（Motion Vector），進(jìn)而根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，計(jì)算出每次手指移動(dòng)的平面相對量，形成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并及時(shí)通過數(shù)據(jù)接口向外傳輸出去。手指移出后，光敏陣列通過檢測無目標(biāo)活動(dòng)還可以使SoC轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省功耗。

2 智能遙控器的功能需求分析

隨著智能電視日漸成熟，傳統(tǒng)遙控器已無法滿足人們控制智能電視的需求。因此，為滿足不同使用人群的需要，設(shè)計(jì)一系列智能遙控器迫在眉睫。首先智能遙控器應(yīng)具有簡單、直觀、人性化的操作界面。不需復(fù)雜的使用學(xué)習(xí)，用戶便可輕易上手，隨心所欲遨游在網(wǎng)絡(luò)和電視之間。其次隨著功能追求的多樣化，還需智能遙控器搭載慣性傳感器[1]（加速度計(jì)和陀螺儀），可實(shí)現(xiàn)手勢識(shí)別、空中鼠標(biāo)及體感互動(dòng)等功能。可以說智能遙控器已經(jīng)具備讓傳統(tǒng)電視遙控器、電腦滑鼠及鍵盤完美結(jié)合為一體的功能。

3 傳感器在智能遙控器上的典型應(yīng)用的初步設(shè)計(jì)

通過以上的功能需求分析，對于一般遙控器需要有部分按鍵功能，在部分網(wǎng)絡(luò)及智能應(yīng)用中需要使用鼠標(biāo)功能，同時(shí)在Android系統(tǒng)中用戶需要快速中切換屏幕，這就要求需要遙控器還要具有滑動(dòng)操控功能。現(xiàn)在我們就基于以上功能需求進(jìn)行智能遙控器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

3.1 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

根據(jù)以上需求分析初步設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖，如圖1：

3.2 實(shí)現(xiàn)分析

鍵盤矩陣模塊主要實(shí)現(xiàn)基本按鍵功能，一般通過中斷方式進(jìn)行監(jiān)聽是否有按鍵盤操作，當(dāng)收到中斷時(shí)，表明遙控器有按鍵操作，這時(shí)主MCU中通過軟件啟動(dòng)按鍵掃描，通過逐行掃描及逐列判斷，檢測出具體是哪一個(gè)按鍵被操作，軟件再根據(jù)不同的按鍵進(jìn)行相應(yīng)的操作或發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

電容觸摸模塊的功能實(shí)現(xiàn)和鍵盤矩陣原理有些類似，其基本原理是通過多個(gè)電容感應(yīng)傳感觸點(diǎn)組成一個(gè)感應(yīng)矩陣區(qū)，當(dāng)電容觸摸模塊有效時(shí)，電容感應(yīng)專用的MCU會(huì)定期對每個(gè)傳感觸點(diǎn)上的電容量進(jìn)行掃描，如果有檢測到某此傳感觸點(diǎn)上的電容值變化超過設(shè)定的閥值時(shí)，則立即啟動(dòng)所有的傳感觸點(diǎn)的快速掃描，將所有的傳感謝觸點(diǎn)的變化值記錄下來，同時(shí)結(jié)合硬件上傳感觸點(diǎn)的矩陣分布，通過對每一個(gè)傳感觸點(diǎn)電容值的變化分析，確定電容變化點(diǎn)在模塊上的分布狀況，從而分析用戶在模塊上的操控軌跡；最終通過分析用戶操控的軌跡來判斷用戶最終的操控意圖?；谶@種原理，在一個(gè)很小的觸摸區(qū)域內(nèi)，可以通過簡單的算法實(shí)現(xiàn)用戶的以下基本操作：上、下、左、右滑動(dòng)，同時(shí)還可能識(shí)別用戶滑動(dòng)的速度變化及快慢。

三軸加速度及三軸陀螺儀模塊主要用于實(shí)現(xiàn)空中鼠標(biāo)功能。所謂的空中鼠標(biāo)就是用戶通過在空中移動(dòng)遙控器來操控鼠標(biāo)的功能。從原理上來看，其實(shí)現(xiàn)的最終目的是需要將用戶在空間的三維移動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S移動(dòng)。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，要實(shí)現(xiàn)較好的操控體驗(yàn)，需要將三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器結(jié)合起來使用，因?yàn)樵谝粋€(gè)三維的移動(dòng)過程中，需要考慮的因素主要有：方向變化、速度變化、以及角度的變化。簡單通用的算法中一般可以通過加速度傳感器的數(shù)據(jù)變化可以分析用戶操作時(shí)的方向變化和速度變化，在算法中可能將用戶操控前的狀態(tài)設(shè)定為原始操控狀態(tài)，將此時(shí)的三維空間通過映射產(chǎn)生的二維平面設(shè)定為原始二維平面，后續(xù)的操作都可以參考此平面。這樣就可以將用戶在三維上的移動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诖硕S平面上的移動(dòng)。又因?yàn)橛脩粼谌S移動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)角度的變化，可以通過相應(yīng)的算法將角度變化對方向變化及速度變化的影響進(jìn)行修正，這樣用戶在三維空間移動(dòng)映射在二維平面上的軌跡就比較接近用戶期望的移動(dòng)軌跡了。但是如果想要得到一種更好的體驗(yàn)效果，則需要不停地分析用戶的移動(dòng)軌跡，動(dòng)態(tài)地更新參考平面，這樣才能使用戶每一次的移動(dòng)更好地在二維平面上進(jìn)行反饋。

RF發(fā)射模塊主要是將相應(yīng)的數(shù)據(jù)流通過RF方式發(fā)送給相應(yīng)的控制設(shè)備。隨著控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增大，原有的紅外傳輸方式巳不能滿足要求，因此在智能遙控器其主要采用RF傳輸方式，而其傳輸協(xié)議主要有：非標(biāo)私有協(xié)議、藍(lán)牙、Zigbee、WIFI等。

4 結(jié)束語

本文是對智能遙控器的設(shè)計(jì)作一個(gè)淺析介紹，其實(shí)智能遙控器應(yīng)用不僅僅局限于智能電視。智能家居已經(jīng)給我們帶來了美好的憧憬?，F(xiàn)實(shí)上不少廠商為解決房間內(nèi)使用過多遙控器的問題，研制出了綜合多功能遙控器，把各種家用電器的遙控器功能全都集中到了一個(gè)控制器上，設(shè)計(jì)成了一個(gè)智能遙控器。即將的市場普及定能給智能遙控器帶來廣闊的應(yīng)用市場。

參考文獻(xiàn)：

[1]李蕾，劉衛(wèi)東.智能遙控器中的MEMS慣性傳感器數(shù)據(jù)處理[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，07（19）：4639.

批注：

①利用化學(xué)試劑的溶液，借助于化學(xué)或電化學(xué)作用顯示金屬的組織。