齊立萍 王棟軒 王靜一
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)渤海校區(qū),河北 滄州 061100)
對(duì)于一些數(shù)碼愛好者而言,他們懂得智能手機(jī)的配置參數(shù),如屏幕分辨率、處理器、運(yùn)行內(nèi)存等代表著什么意義。當(dāng)前科技高速發(fā)展,人們致力于提高智能手機(jī)的配置,這種提高表現(xiàn)在方方面面,不再僅是拘泥于屏幕、CPU等關(guān)鍵參數(shù)的提高,而對(duì)與用戶的互動(dòng)性要求更高,意味著要有很好的體驗(yàn)感。如今,移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用軟件生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)擴(kuò)大,傳感器在這個(gè)過程中發(fā)揮的作用不可小覷。手機(jī)里各式傳感器的發(fā)展一日千里,在未來,傳感器的種類必將更為繁多,功能也會(huì)更為復(fù)雜,精確度也會(huì)大幅度提升。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665─87對(duì)傳感器下的定義是:在規(guī)定的范圍內(nèi),能夠感受并測(cè)量出一系列的物理量,然后將測(cè)量的結(jié)果轉(zhuǎn)換成信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)的部件裝置,一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成[1]。傳感器實(shí)際上是用于檢測(cè)的器件,能將檢測(cè)到的信息按某種規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)等形式進(jìn)行傳輸,用于處理、控制、存儲(chǔ)等方面,達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的目的[2]。
重力傳感器在智能手機(jī)中非常常見。它的原理是壓電效應(yīng),可以測(cè)量出重力,并將該力正交分解,即可判斷左右方向[3]。
重力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確識(shí)別手機(jī)的受力情況,它主要用于切換手機(jī)橫屏和豎屏,在一些游戲程序中也有所應(yīng)用。
物體在旋轉(zhuǎn)過程中其旋轉(zhuǎn)軸的方向不會(huì)改變,除非受到外界的影響。陀螺儀就是根據(jù)這個(gè)原理——用旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸來保持方向,制造出來的[4]。要想讓陀螺儀迅速旋轉(zhuǎn),首先要使其受力,獲得加速度。陀螺儀旋轉(zhuǎn)的平均速度為每分鐘幾十萬轉(zhuǎn),故運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。陀螺儀獲取旋轉(zhuǎn)軸當(dāng)前指向的方位后,就會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信息傳輸給控制系統(tǒng)。陀螺儀內(nèi)置一個(gè)陀螺,其旋轉(zhuǎn)軸因?yàn)橥勇菰硪恢迸c初始方向保持平行,這樣就可以經(jīng)過計(jì)算與初始方向的偏差從而得到實(shí)際方向。陀螺儀作為傳感器,被設(shè)計(jì)成構(gòu)造精細(xì)的芯片,芯片內(nèi)含有直徑非常小的陀螺。
陀螺儀能測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,且是在設(shè)備偏轉(zhuǎn)、傾斜時(shí)進(jìn)行測(cè)量,這是和加速度計(jì)(G-sensor)的差異之處。在移動(dòng)設(shè)備上,加速度計(jì)(G-sensor)不能測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作,更不必提測(cè)量或完整構(gòu)建出3D動(dòng)作了。故加速度計(jì)(G-sensor)一般用于測(cè)量簡(jiǎn)單的二維動(dòng)作。而陀螺儀就可以較為準(zhǔn)確的測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)、偏轉(zhuǎn)的動(dòng)作。按照陀螺儀的測(cè)量結(jié)果,能夠準(zhǔn)確的判辨用戶的現(xiàn)實(shí)行動(dòng),從而對(duì)移動(dòng)設(shè)備做出相應(yīng)的操作。陀螺儀是在重力傳感器的基礎(chǔ)上構(gòu)造出來的,這樣說的原因在于重力傳感器只能檢測(cè)兩個(gè)方位——左和右,而陀螺儀則能檢測(cè)任何方位。
陀螺儀最開始主要應(yīng)用于航空航天等方面,隨著陀螺儀的微型化,使得陀螺儀能夠應(yīng)用在一些移動(dòng)設(shè)備上,這對(duì)提升用戶的體驗(yàn)感至關(guān)重要。手機(jī)里有了陀螺儀傳感器后,就能任意固定住一個(gè)方向,不管手機(jī)向著什么方向挪動(dòng)或歪斜,這個(gè)固定的方向是穩(wěn)定不變的。比如在部分射擊類手游中,射擊的靶心是不會(huì)改變的,這樣就可以不斷改變手機(jī)的位置來瞄準(zhǔn)靶心。通過分析判斷使用者的動(dòng)作達(dá)到操控游戲的目的,會(huì)有很多創(chuàng)新空間。開發(fā)者可以通過陀螺儀檢測(cè)全方位(3D范圍內(nèi))動(dòng)作的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲的操作,比如,在游戲中,手機(jī)可以當(dāng)作一個(gè)方向盤,使用者上下、左右地傾斜手機(jī),屏幕上被操控的對(duì)象就可以做上下、左右的動(dòng)作。由于陀螺儀能夠瞬間檢測(cè)到手機(jī)或平板旋轉(zhuǎn)角度的微小變化,且檢測(cè)結(jié)果十分精準(zhǔn),足夠滿足一些對(duì)分辨率和反應(yīng)速度要求很高的應(yīng)用,從而較好的提升用戶的體驗(yàn)感。除此之外,陀螺儀還可以應(yīng)用于動(dòng)作感應(yīng)的GUI,用戶稍微傾斜手機(jī),就能對(duì)菜單進(jìn)行選擇,極具人性化。 陀螺儀還有一個(gè)非常重要的作用是對(duì)拍照進(jìn)行防抖操作。和相機(jī)的光學(xué)防抖很像,但陀螺儀的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,相當(dāng)于電子防抖[5]。在移動(dòng)設(shè)備拍照的時(shí)候,手在按下快門的瞬間避免不了抖動(dòng),陀螺儀通過檢測(cè)抖動(dòng)的方向和距離,控制手機(jī)彌補(bǔ)與抖動(dòng)方向相反的相同距離的位移,就可以消除這些抖動(dòng)[6]。
距離傳感器也是手機(jī)中不可或缺的傳感器,通常其集成位置靠近聽筒。距離傳感器首先會(huì)發(fā)射光脈沖,記下此時(shí)的時(shí)間;然后測(cè)量此光脈沖被物體反射回來的時(shí)間,兩個(gè)時(shí)間做差,就可以通過測(cè)量時(shí)間的方法來測(cè)量距離[7]。
距離傳感器主要應(yīng)用于兩點(diǎn):一、通話過程中,距離傳感器檢測(cè)到用戶的面部接近聽筒,就會(huì)使手機(jī)“黑屏”,防止用戶不小心觸碰屏幕,并且節(jié)約電量。二、翻轉(zhuǎn)手機(jī)就可以自動(dòng)掛斷。
近幾年里,手機(jī)巨頭三星在移動(dòng)設(shè)備上增加的功能不勝枚舉,在Galaxy S4和S5兩款旗艦手機(jī)上也可以體現(xiàn)出來。這兩款手機(jī)都增加了溫度和濕度傳感器,通過S Health這個(gè)應(yīng)用就可以知道當(dāng)前的溫度和濕度,實(shí)現(xiàn)讓手機(jī)來關(guān)注周圍的境況。在未來,智能手機(jī)既能顯示空氣質(zhì)量,還能實(shí)時(shí)監(jiān)視污染源或過敏原,并將這些信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上,提示用戶關(guān)注氣候的變化。不僅如此,將來的智能手機(jī)還可以追蹤用戶的心率和監(jiān)測(cè)用戶的情緒狀態(tài),比如,當(dāng)你感到焦灼的時(shí)候,設(shè)備會(huì)自行播放輕松緩和的音樂。著名半導(dǎo)體廠商飛思卡爾公司總監(jiān)Ivan Kari-mi曾說過,即使是一些價(jià)格便宜的傳感器,也可能實(shí)現(xiàn)這一切。在將來,你的設(shè)備會(huì)觀測(cè)你的情感,這就意味著,一個(gè)手機(jī)或平板會(huì)比你還了解你本身。
電信業(yè)巨頭AT&T的老牌技術(shù)員Milosz表達(dá)了自己對(duì)傳感器將來發(fā)展的主旋律的推測(cè)。Milosz在AT&T的實(shí)驗(yàn)室中承擔(dān)模塊的是移動(dòng)傳感系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析?!皩淼囊苿?dòng)設(shè)備中會(huì)涌現(xiàn)出更多的傳感器?;蛟S我們還會(huì)擁有3D立體攝像頭、雷達(dá)、聲納等,甚至還會(huì)有某種形式的傳感器可以用于醫(yī)療上。我們領(lǐng)會(huì)到手機(jī)傳感器微型化日新月異,我們可以實(shí)現(xiàn)的愿望會(huì)日漸增多?!?/p>
以后MEMS器件或許會(huì)把一些常用的手機(jī)傳感器與應(yīng)用處理器集成在一起,成為一個(gè) COM(Chip on MEMS),如此一來,不但縮減了面積,節(jié)約成本,提高系統(tǒng)的整合性,還有利于開發(fā)和應(yīng)用。譬如加速度計(jì)、陀螺儀和重力傳感器就可以被集成在一起,用其中一個(gè)傳感器去彌補(bǔ)另外兩個(gè)傳感器的不足。因此,這三種傳感器并不是互相獨(dú)立的,而是彼此依靠。三者協(xié)作組合,更充分發(fā)揮各自的特性,給用戶帶來更好的體驗(yàn)感。
當(dāng)把傳感器集成在一起之后,需要有一個(gè)MCU去分析這些傳感器的數(shù)據(jù),在未來的某一天,應(yīng)該會(huì)將傳感器和MCU進(jìn)行整合,這樣等同于將傳感器的功能和MCU的功能整合到了一起。
目前在智能手機(jī)領(lǐng)域里,各類硬件不僅在性能方面堆疊,形形色色的功能堆疊也層見迭出。手機(jī)里的大多數(shù)新功能都有對(duì)應(yīng)的傳感器在支撐,傳感器會(huì)有更廣闊的用武之地,必將進(jìn)一步改變我們的生活方式。
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