觸控設備手勢喚醒的設計思路及其實現

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

　　廚房里的突發奇想

　　如果做飯時使用觸控設備，您可能會注意到按照設備列出的食譜烹飪并非想象得那么簡單。技術達人（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。那么，當您需要參照食譜時，設備已進入休眠狀態。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，內部已經安裝了紅外（IR）接近檢測傳感器。這些傳感器一般在通話期間自動打開/關閉屏幕，以避免意外操作手機的輸入界面。這種傳感器，加上精明的軟件設計，就能實現利用一個手勢喚醒裝置的功能。

　　基本的設計思路是：設備進入休眠狀態時，觸摸屏關閉，應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。這與接近檢測傳感器在通話期間關閉屏幕的功能幾乎完全相同。只是，我們的應用對數據有了不同的解釋。

　　首先記錄傳感器在“正常”背景下的計數值，此時得到的數值可能為零，但實際設計中需要考慮系統失調（例如：散射或串擾）。然后將得到的數值設置為檢測門限，當接收信號超過門限時觸發中斷或向應用處理器發送信號，以喚醒系統并打開屏幕。總體而言，這種方法非常簡單、直觀，可利用環境光檢測器和IR接近檢測傳感器實現。

　　本文介紹的方案采用MAX44000，接近檢測的數據讀取時間間隔可以設置在1.56ms至100ms （與環境光檢測傳感器輪流讀取數據）。假設最大檢測距離為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，只有該區域內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，我們還假設傳感器只需要采集到一次高于門限的信號，即可識別經過覆蓋區域的目標。

　　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境掃描模式，并在檢測到目標時發出中斷信號，指示捕捉到超過預設門限的信號。可通過I2C 接口輪詢傳感器的狀態。不幸的是，這種方式會消耗過大功率，超出了大多數用戶的預期。

　　這也是接近檢測傳感器的設計重點，MAX44000傳感器能夠在許多方面擺脫應用處理器的干預，減輕處理器負荷（降低功耗）。使能MAX44000的內部接近檢測中斷（寄存器0x01的第1位），可將喚醒門限寫入內部寄存器（0x0B和0x0C）。當接近檢測傳感器的讀數超過該門限時，觸發中斷標識置位，將MAX44000的/INT引腳置為低電平。當應用處理器檢測到該引腳驅動為低電平時，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，具體的設計需要考慮諸多因素。

　　信號電平與電路布局

　　最關鍵的考慮應該是觸發喚醒條件的信號電平，需要在系統響應靈敏度與誤報概率之間進行權衡。如果門限過低，則很容易檢測到輸入（手勢工作），但會增大瞬態噪聲或突發條件產生誤報的概率。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）都反應遲鈍。

　　解決這一問題的最佳方式是：首先降低系統噪聲，可以通過光學方法或嚴謹的電路布局實現，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，測量時也應該使用這樣的玻璃，所測得的信號電平可以作為設置門限的最佳參考。通常可以遵循這樣的原則：即將電平設置在滿幅的8%至15%，即使電平發生變化。

　　可以按照上述經驗數據設置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系曲線，采用18%灰板，驅動電流為100mA，傳感器上方沒有玻璃罩。藍線為可以選擇的喚醒門限。