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。
噪声和低通滤波

　　需要考虑噪声问题时，可利用低通滤波器处理信号；另外，MAX44000还有几个控制位可以用作触发中断标识之前的屏蔽，采用这种设置时，需要检测到一定数量超出门限的采样值时才会触发中断标示，能够在一定程度上降低噪声的影响。

　　一种稍微复杂的方法是将传感器的读数储存在数据队列中，然后利用定制的FIR软件对其进行滤波处理。但这种方法需要提高接近检测传感器的采样速率，否则则会降低能够捕捉到的传感器可视范围内的手势动作速率，特别是把采样速率设置在100ms时。利用器件的控制位屏蔽检测时，速率可最多降低16倍（通常选择4x屏蔽即可）。

　　手势速度

　　手势动作的快慢是我们需要考虑的另一因素。最大速度取决于：1. 传感器的可视范围；2. 手与传感器之间的距离；3. 采样率；4. 检测门限。前两项很容易确定：传感器的检测角度，结合传感器与目标之间的距离，利用基本的三角形即可计算出传感器可视范围内目标的移动距离。例如，如果传感器的视角为30度，最大有效检测距离10cm，那么，传感器可视范围内允许的目标移动距离为5.35cm，覆盖面积大约为78cm2。直线距离结合采样率，即可决定速度限值。 具体地说，如果采样率为T，那么目标跨越可视区域的时间不得小于T。例如，如果T为100ms （MAX44000的最低采样速率），那么按照上例，理论上最大允许的速率为1mps （这实际上已经相当快了）。您可能希望捕获到多个采样值来确认触发唤醒，这样的话，会降低允许的速率下限。

　　检测门限也影响最大允许速率。一般来说，门限越低，能够捕捉到的手势动作就越快。如上所述，应谨慎选择门限，以免产生误报。

      人为因素

　　这种应用还会受到人手以及挥手动作等人为因素的影响。应通过一些案例确定一般大多数人的习惯，包括他们在屏幕前挥动手掌的速度以及与屏幕之间的距离，另外，是否戴手套也会产生一定的影响。不同的应用场合（不同装置）也会影响到设计需求，例如智能手机、平板电脑或汽车仪表盘，对存在具体的设计考虑。当然，设计过程中还应考虑用户界面和经验参数。

　　最后，还要对真假手势做出判断，即装置需要判断接收到的信号是来自于一个手势动作，还是简单的装置移动（例如：放置在外套、口袋或背包中，或者是屏幕朝下放置）。单纯依靠上述检测原理，很难做出正确的“真伪”鉴别，除非在装置内提供更多的背景信息。关于这一问题的讨论超出了本文范围。

　　设计中可以选择只有装置进入特定的应用程序时启动唤醒方案，也可以由用户手动操作使能。此外，许多此类装置都有一个加速度传感器，能够检测到屏幕是否背面朝下放置。如果用户手动将装置置于休眠模式，则可禁用该功能（例如关机状态）。

　　设计实例

　　为方便起见，本文附带了三段演示程序代码。第一段代码用于手动操作MAX44000的接近检测数据读取，概念上简单实现唤醒功能；第二段代码在第一段的基础上进行了扩展，增加了之前讨论的滤波功能；最后一段代码演示利用MAX44000中断唤醒触控装置。 示例代码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

　　...

　　...

　　}

　　}

　　...

　　...

　　}
示例代码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）;

　　}示例代码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;

　　}