触控设备手势唤醒的设计思路及其实现

本文讨论如何唤醒平板电脑等触控装置，无需接触设备，而是采用基本的手势识别及新颖的接近检测传感器。本文讨论了相关设计的物理布局、速度限制、检测门限、系统集成，以及人为因素的影响；给出了软件实时的例程。

　　厨房里的突发奇想

　　如果做饭时使用触控设备，您可能会注意到按照设备列出的食谱烹饪并非想象得那么简单。技术达人（例如鄙人）走进厨房时，喜欢看着平板电脑或智能手机上的菜谱做饭。您可能会说：“好吧，这有什么难度？”由于屏幕始终开启会消耗很大电量，通常手持装置在1、2分钟后没有操作时将自动进入休眠状态。那么，当您需要参照食谱时，设备已进入休眠状态。此事，您面临两个选择：要么强制屏幕保持永久开启；要么用沾满食物的手开启装置，而在屏幕上留下斑斑油渍。当然，您可以在每次查看时把手清洗干净，但不断重复洗手、擦干即繁琐，又费水。

　　我时常问自己：“怎样才能既不让屏幕始终开启，又不会弄脏装置？”实际上，有一种办法一举两得，即通过一个手势（不用接触屏幕）开启显示屏。听起来似乎很复杂，是吗？幸运的是，做起来可能比听起来容易一些。

　　接近检测传感器

　　许多触摸屏装置，尤其是智能手机，内部已经安装了红外（IR）接近检测传感器。这些传感器一般在通话期间自动打开/关闭屏幕，以避免意外操作手机的输入界面。这种传感器，加上精明的软件设计，就能实现利用一个手势唤醒装置的功能。

　　基本的设计思路是：设备进入休眠状态时，触摸屏关闭，应用处理器处于低功耗模式，依靠接近检测传感器“观察”背景的变化，当接收到的信号足够大时，做出适当反应。这与接近检测传感器在通话期间关闭屏幕的功能几乎完全相同。只是，我们的应用对数据有了不同的解释。

　　首先记录传感器在“正常”背景下的计数值，此时得到的数值可能为零，但实际设计中需要考虑系统失调（例如：散射或串扰）。然后将得到的数值设置为检测门限，当接收信号超过门限时触发中断或向应用处理器发送信号，以唤醒系统并打开屏幕。总体而言，这种方法非常简单、直观，可利用环境光检测器和IR接近检测传感器实现。

　　本文介绍的方案采用MAX44000，接近检测的数据读取时间间隔可以设置在1.56ms至100ms （与环境光检测传感器轮流读取数据）。假设最大检测距离为10cm，LED的辐射角为±15°，那么，可以覆盖的面积大约为22cm2或跨距大约为5.35cm，只有该区域内的移动目标才能捕捉到。由此，能够以最慢（即最低功耗）的采样速度可靠检测的最快手势动作大约为0.53mps。在此，我们还假设传感器只需要采集到一次高于门限的信号，即可识别经过覆盖区域的目标。

　　举手之劳...

　　理论上讲，该方案的实施非常简单。当装置进入休眠模式时，将接近检测传感器置为环境扫描模式，并在检测到目标时发出中断信号，指示捕捉到超过预设门限的信号。可通过I2C接口轮询传感器的状态。不幸的是，这种方式会消耗过大功率，超出了大多数用户的预期。

　　这也是接近检测传感器的设计重点，MAX44000传感器能够在许多方面摆脱应用处理器的干预，减轻处理器负荷（降低功耗）。 使能MAX44000的内部接近检测中断（寄存器0x01的第1位），可将唤醒门限写入内部寄存器（0x0B和0x0C）。当接近检测传感器的读数超过该门限时，触发中断标识置位，将MAX44000的/INT引脚置为低电平。当应用处理器检测到该引脚驱动为低电平时，可唤醒装置退出低功耗模式，并打开屏幕，或完成其它需要的动作。

　　...但不容忽视

　　实际应用往往不如理论那么容易，非接触唤醒的具体实施并非只是简单地检测高于门限的信号。实际上，具体的设计需要考虑诸多因素。

　　信号电平与电路布局

　　最关键的考虑应该是触发唤醒条件的信号电平，需要在系统响应灵敏度与误报概率之间进行权衡。如果门限过低，则很容易检测到输入（手势工作），但会增大瞬态噪声或突发条件产生误报的概率。反之，过高的检测门限能够把误报概率降至几乎为零，但却只能检测到非常接近的目标，甚至对任何输入（即使您疯狂晃动手臂）都反应迟钝。

　　解决这一问题的最佳方式是：首先降低系统噪声，可以通过光学方法或严谨的电路布局实现，降低的噪底有助于降低误报概率；其次，选择“平均”检测距离（例如：4cm至5cm）并利用参考目标测量信号，18%的灰板比较理想，但如果触摸屏上方安装了黑色玻璃，测量时也应该使用这样的玻璃，所测得的信号电平可以作为设置门限的最佳参考。通常可以遵循这样的原则：即将电平设置在满幅的8%至15%，即使电平发生变化。

　　可以按照上述经验数据设置MAX44000传感器的接近检测门限寄存器，图1所示为信号强度随距离变化的关系曲线，采用18%灰板，驱动电流为100mA，传感器上方没有玻璃罩。蓝线为可以选择的唤醒门限。

　　图1. MAX44000接近检测传感器信号强度随距离变化的关系曲线，采用18%灰板，100mA驱动电流，没有玻璃罩。