倾角传感器 LCI-360
HONEYWELL(霍尼韦尔)
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本应用笔记讨论了Maxim MAX44000接近检测传感器在手持式触摸屏应用中的优势,介绍了设计中的注意事项。包括如何降低系统中的串扰、*噪声抑制、减轻应用处理器的负荷。
为什么使用接近检测传感器?
触摸屏已普遍用于各种手持式电子设备,不**局限于智能手机。触摸屏在大大*设备功能性的同时,也带来了诸多新的挑战,包括知道如何以及何时响应触摸屏操作。例如,当手机靠近用户脸颊时,屏幕*须了解如何对其做出反应;否则,触摸屏无意接触到人耳或脸颊时,可能会被错误地解析成用户输入。
为了避免这一问题,*常见的方法是在手机上集成一个接近检测传感器(同时也增加了设备功能)。当接近检测传感器的读数**的门限要求,而且用户正在通电话时,传感器可以关闭触摸屏。
相对于分立式解决方案,提供数字输出的红外接近检测传感器芯片(例如MAX44000)大大简化了这一功能的实施。
Maxim接近检测传感器的关键优势
Maxim的接近检测传感器具有众多优势。举例来说,红外发射器配置为吸电流,而非源出电流。便于用户合理选择LED的供电电压,优化LED性能和功耗(图1)。
图1. MAX44000典型电路,包括LED。
由于MAX44000系列产品提供I²C接口,可以方便地通过这一灵活的总线将传感器集成到多数嵌入式系统。此外,器件支持硬件中断。这两项功能可*传感器无缝集成到大多数手持设备,同时也将传感器信息处理所占用的处理器资源降至*少。
不*如此,Maxim的接近检测传感器还内置了更多功能。例如,MAX44000在6引脚单芯片内集成了环境光检测传感器和接近检测传感器。诸如此类的解决方案避免了在实现*光传感器功能是使用多个传感器。
设计考虑
MAX44000采用小尺寸、2mm x 2mm x 0.6mm、UDFN-Opto封装,有助于用户节省尺寸敏感应用的空间。此外,传感器提供LED驱动电路,但需要用户提供发射二*管的供电电源。吸电流配置下,该电路可驱动0mA至110mA电流流过发射二*管,无需外部电路既可完成这一任务。
图2. MAX44000典型电路,带有发射器旁路。
使用该功能时需要谨慎设计,*是当驱动电流较大时。短时间的大电流驱动脉冲使得电源上出现*电流,可能在MAX44000周围产生噪声。有两种方式解决这一问题:对发射二*管进行去耦,或将MAX44000的电源与发射二*管电源隔离开。去耦电容的优点是价格便宜,但缺点是*须*靠近MAX44000和发射二*管安装。由于这一方式多数情况下*解决上述问题,终端用户应*先尝试这一方案,然后再考虑采用替代方案。图2所示电路同时采用了两种方案,当然,实际应用中并不需要这样。
设计者*须仔细考虑玻璃对接近检测传感器的影响。*大多数智能手机屏幕上都带有一个玻璃罩,而且有些手机使用的是黑色玻璃。玻璃对光传感器的影响主要表现在两个方面:*先,应该考虑入射到IC环境光传感器的光强有所衰减;其次,LED的发射光经过玻璃反射后重新回到传感器,由此可能引入*串扰(图3)。
图3. 串扰示意图—无挡光板。
图4. 简单挡光板的例子。
*这一问题的方法有许多种,一种方式是在发射器和接收器之间安装挡光板(图4),可大幅降低反射后注入传感器的光强;另一种方式是使发射器和接收器尽量靠近玻璃,*电路板没有反射。
开/关门限的设置
将接近检测传感器集成到系统后,一个经常遇到的问题是如何正确选择接近检测的门限,以便在用户通话期间打开或关闭屏幕。门限设置须*出现错误判断的几率*低,而且能够支持*大多数使用者的情况。例如,对于浅色头发的用户,当手机的接近检测传感器面向头发的方向靠近时,所反射的信号强度要远远高于深色头发。
MAX44000的接近检测传感器对于标准的850nm IR发射器具有出色的灵敏度(2.7nW/cm²/L*)。这意味着MAX44000不*可以在黑色玻璃的下方*检测信号,对于深色头发的用户同样可以保持*的信号检测。此外,MAX44000的接近检测传感器能够抑制*100,000 lux的直射太阳光强,*室外环境下的工作性能。
*后一项需要考虑的因素是对传感器增加一个滞回,采取这一措施的原因与在比较器电路增加滞回的原因相同。当输入信号恰好位于门限附近时,任何噪声都会造成输出信号的随机切换,这是我们不希望发生的现象。接近检测传感器也是如此。
一种简单(但功耗较大)的软件实施方案是定期轮询传感器,如果*出门限的计数值**限值,而且屏幕是打开的,则关闭屏幕;否则,如果屏幕已关闭,则将其打开。初看起来这种方式是可行的,但用户握持设备的方式可能造成计数值在门限附近波动,导致屏幕错误地打开或关闭。
解决问题的一种方法是在软件中设置滞回。例如,如果计数值*150次(假设接近检测传感器工作于8位模式)或以上时,控制触摸屏从“开”至“关”;那么,只有当计数值下降到135次或以下时,才控制触摸屏从“关”至“开”。此外,在一段时间保持这种电平的相关性*有用,其作用相当于一个低通滤波器,可以降低噪声引起的误操作。
如果已经使能中断(对于接近检测和ALS,寄存器0x01,1:0位),这些寄存器可以设置芯片使其无需通过I²C不断轮询传感器。如上所述,可利用寄存器0x0A的第2位和第3位设置中断之前的延迟。延迟可以是通过门限后的1、4、8或16个连续采样。寄存器0x0B和0x0C设置门限,以及触发中断的计数值为高于门限的数值还是低于门限的数值。
设计表达在信息时代已是多元化的展示形式,虚拟现实技术的应用,使设计思路和设计表达如虎添翼。让人多了一种直观的、亲切的及交互的感受,这样开发设计的产品与传统相比,大大减少了投放市场的风险性,也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产,提供更好的依据。
1、虚拟现实与虚拟现实技术
1)虚拟现实(Virtual Reality,VR)及虚拟设计(Virtual Design,VD)
虚拟现实(Virtual Reality,VR)是利用计算机省城一种模拟环境,通过多种传感设备使用户“沉浸”到该环境中,实现用户与该环境直接进自然交互的技术。这里所谓模拟环境就是计算机生成的具有色彩的立体图形,它可以是某特定现实世界的真实体现,也可以是纯粹构想的世界。传感设备包括立体头盔、数据手套、数据衣服等穿戴于用户身上的装置和设置现实环境中的传感装置。自然交互是指用日常使用的方式对环境内的武体进行操作并得到实时立体反馈。虚拟现实是一种*的人机交互系统,它能对介入者产生各种感官刺激,如听觉、视觉、嗅觉、触觉,给人身临其境的感觉,人能以自然的方式与计算机生成的环境进行交互操作。
虚拟设计是以“虚拟现实技术为基础,以机械产品为对象的设计手段”,借助这样的设计手段,设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互,实现从定性和定量综合集成环境得到感性和理性的认识,从而帮助深化概念和萌发新意。
2)虚拟现实技术
虚拟现实技术是人的想象力和电子学等相结合而产生的一项综合技术,它利用多媒体计算机*技术构成一种*环境,用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然的交互,从而体验比现实世界更加丰富的感受。
2、概念设计的定义及内涵
Pahl和Beitz在《Engineering Design》一书中提出“概念设计”这一名词以来,人们对概念设计进行了十几年的研究。他们将其定义为:在确定任务之后,通过抽象化,拟定功能结构,寻求适当的作用原理*其组合等,确定出基本求解途径,得到求解方案,这部分设计工作叫做概念设计。
国内的学者也对概念设计进行了大量的研究,其中邓家褆在《产品概念设计》一书中将“产品概念设计”定义为“由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的,可组织的,有目标的设计活动,它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。”
在几十年的时间里,人们对概念设计的研究日益增加、不断深入,使概念设计的内涵更加广泛和深刻。主要体现在:根据产品生命周期各个阶段的要求进行市场需求分析、功能分析、功能的工作原理、动作行为的构思、行为载体的选择和方案的组成的等。可见,确定方案是概念设计的*终结果,产品生命周期全过程的满足才是概念设计的关键。设计方法上更加*融合各种方法,寻求综合*优方案,同时使设计更具*性。
概念设计是对产品或部件的构思,目的是捕捉产品的基本形状。这个阶段,产品的形状和*尺寸尚未确定,设计人员有*变更自由,所以尽可能考察设计方案,以便选出生产成本、创意良好的方案。利用传统的计算机辅助设计,往往多是二维交互工具,缺乏三维或者多维的功能,但是产品却是三维的部件,这样*然导致人机交互效率低。现行的计算机辅助设计系统要求定义*件的尺寸,而在产品的概念设计阶段这样的尺寸可能无法*得到或者根本没*要*定义,这样*然影响设计效率和周期。传统的计算机辅助设计需要两类人员配合,即产品的设计人员和电脑绘图员,产品设计人员有关产品的概念信息通过草图或者口述的方法传达给电脑人员,这样导致信息的丢失或者绘图者的曲解,而如果设计者本人直接参与电脑辅助设计建模的话,由于现行的电脑辅助设计系统的操作复杂和交互能力若,大大分散了设计者的精力,限制了思路。为了克服这样的限制,充分发挥设计人员的*性,人们开始把虚拟现实技术引入计算机辅助设计系统进行概念设计,将虚拟现实技术和概念设计*结合,利用丰富直观的交互手段,在虚拟环境中进行概念设计,从而节省产品*描绘和尺寸定义的时间,这就是基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计,即虚拟概念设计。
3、虚拟概念设计的研究方向和应用前景
1)概念设计中应注意的两个问题
①虚拟现实环境下的概念可视化。概念可视化是指设计师透过画面或者模型,将市场的需求转换成可视化的具体形态。概念设计是否能*合目标用户的要求,“眼见为实”的图面或者模型是*具有说服力的。
②虚拟现实环境下的人机交互界面。想实现人机互动,*须解决一系列技术问题,形成和谐的人机环境。虚拟现实就是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用计算机技术为*的现代高科技省城*的视听触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助*要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、互相影响,从而产生“沉浸”于等同真环境的感受和体验。
2)虚拟现实技术在概念设计中的前景
在虚拟现实环境下,进行产品的概念设计是虚拟现实技术的基本内容。在电脑虚拟现实提供的良好的可视化条件下,对电脑辅助设计建立的三维模型在几何、功能、*与装配等方面进行交互性的修改,利用虚拟现实给用户提供诸如视听触觉等各种感知交互手段,*大限度地方便用户的操作,从而减轻用户的负担、*整个系统的工作效率。相关人员可以对原型的各方面包括视觉效果、部件间比率进行评价。针对不同用户的爱好要求,在不同的虚拟环境中,亲自体验修改模型;选择产品的可选部件,观察设计和修改过程。
面对日益加剧的产品市场竞争的挑战,可以预见,基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计*有长足发展,*终将与现有计算机辅助设计系统实现无缝集成。
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