浅析传感器件在智能遥控器上的应用

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摘 要：随着各种传感器件的不断开发运用和智能电视的不断发展，传统的红外单一控制方式己不能满足智能电视的操控需求，于是具有各种功能的智能遥控器产品随之产生。这些智能遥控器功能主要包括以下几类：按键功能、鼠标功能、语音输入功能、游戏手柄功能、手势识别功能等。要实现这些功能就离不开各类传感器件的使用，本文主要就几类通用的传感器件如何在智能遥控器上的应用作一个浅析。

关键词：传感器；智能遥控器

中图分类号：TP872

1 传感器特性及原理

近两年来涌现出来可用于智能遥控器的各类传感器主要有以下几类：电容式传感器、电压式传感器、电磁式传感器、加速度传感器、角速度传感器、地磁传感器、OFN（手指光电导航）、声音传感器等；其中电容式传感器、加速度传感器、角速度传感器、OFN这四类被应用得最为广泛。

1.1 电容式传感器

电容式传感器在原理上其基本构成包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx，在接收器与发射器走线之间会形成一个电场。当有物体靠近时，电极的电场就会发生改变，从而感应出物体的位移变化量。或者通过改变两电极距离来改变接收器和发射器之间的电场变化，从而通过电场的变化量来计算两电极距离的变化量。

1.2 加速度传感器

多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形会产生电压这个特性。只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。

1.3 角速度传感器

不同的公司开发的角速度传感器其结构及工艺会有较大的不同，三菱电子公司开发的角速度传感器为玻璃一硅一玻璃结构，其谐振部分是一个用浸蚀①法制成的硅梁，通过外置振荡器激发，其谐振频率约为4KHz。梁的厚度与硅片相同，它的宽度和长度通过浸蚀加工来决定。硅梁和玻璃支架的连接采用了真空下的阳极焊接工艺，以确保其固有频率变化很小。角速度的变化可根据硅梁振动频率变化引起的梁两侧玻璃支架上金属电极间的电容变化值测出。传感器电路由电容电压（C—V）转换器和同步解调器构成。C—V转换器是一个转换电容的比较器（ASIC）。

1.4 OFN（Optical Finger Navigation）

OFN模组，通常由红外LED光源、遮光触摸面板、光学透镜组和具有光敏阵列的片上处理/控制芯片组成，一般制作在便于集成应用的柔性线路FPC（Flexible Printing Circuit）板上。OFN模组的工作原理如下：当手指接触遮光触摸面板，光敏阵列检测到有目标活动，唤醒片上系统SoC投入正常工作状态，红外LED发光，启动检测光路，通过光学透镜组的折射和聚焦，由光敏阵列得到一幕一幕的图像数据信息；SoC从中抽象出不同的运动矢量MV（Motion Vector），进而根据运动矢量在时间和空间上的相关性，计算出每次手指移动的平面相对量，形成运动数据，并及时通过数据接口向外传输出去。手指移出后，光敏阵列通过检测无目标活动还可以使SoC转入休眠状态，以节省功耗。

2 智能遥控器的功能需求分析

随着智能电视日渐成熟，传统遥控器已无法满足人们控制智能电视的需求。因此，为满足不同使用人群的需要，设计一系列智能遥控器迫在眉睫。首先智能遥控器应具有简单、直观、人性化的操作界面。不需复杂的使用学习，用户便可轻易上手，随心所欲遨游在网络和电视之间。其次随着功能追求的多样化，还需智能遥控器搭载惯性传感器[1]（加速度计和陀螺仪），可实现手势识别、空中鼠标及体感互动等功能。可以说智能遥控器已经具备让传统电视遥控器、电脑滑鼠及键盘完美结合为一体的功能。

3 传感器在智能遥控器上的典型应用的初步设计

通过以上的功能需求分析，对于一般遥控器需要有部分按键功能，在部分网络及智能应用中需要使用鼠标功能，同时在Android系统中用户需要快速中切换屏幕，这就要求需要遥控器还要具有滑动操控功能。现在我们就基于以上功能需求进行智能遥控器的系统设计：

3.1 系统框图设计

根据以上需求分析初步设计系统框图，如图1：

3.2 实现分析

键盘矩阵模块主要实现基本按键功能，一般通过中断方式进行监听是否有按键盘操作，当收到中断时，表明遥控器有按键操作，这时主MCU中通过软件启动按键扫描，通过逐行扫描及逐列判断，检测出具体是哪一个按键作，软件再根据不同的按键进行相应的操作或发送相应的数据。

电容触摸模块的功能实现和键盘矩阵原理有些类似，其基本原理是通过多个电容感应传感触点组成一个感应矩阵区，当电容触摸模块有效时，电容感应专用的MCU会定期对每个传感触点上的电容量进行扫描，如果有检测到某此传感触点上的电容值变化超过设定的阀值时，则立即启动所有的传感触点的快速扫描，将所有的传感谢触点的变化值记录下来，同时结合硬件上传感触点的矩阵分布，通过对每一个传感触点电容值的变化分析，确定电容变化点在模块上的分布状况，从而分析用户在模块上的操控轨迹；最终通过分析用户操控的轨迹来判断用户最终的操控意图。基于这种原理，在一个很小的触摸区域内，可以通过简单的算法实现用户的以下基本操作：上、下、左、右滑动，同时还可能识别用户滑动的速度变化及快慢。

三轴加速度及三轴陀螺仪模块主要用于实现空中鼠标功能。所谓的空中鼠标就是用户通过在空中移动遥控器来操控鼠标的功能。从原理上来看，其实现的最终目的是需要将用户在空间的三维移动转变为二维移动。从实际经验来看，要实现较好的操控体验，需要将三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器结合起来使用，因为在一个三维的移动过程中，需要考虑的因素主要有：方向变化、速度变化、以及角度的变化。简单通用的算法中一般可以通过加速度传感器的数据变化可以分析用户操作时的方向变化和速度变化，在算法中可能将用户操控前的状态设定为原始操控状态，将此时的三维空间通过映射产生的二维平面设定为原始二维平面，后续的操作都可以参考此平面。这样就可以将用户在三维上的移动转变为在此二维平面上的移动。又因为用户在三维移动过程中会出现角度的变化，可以通过相应的算法将角度变化对方向变化及速度变化的影响进行修正，这样用户在三维空间移动映射在二维平面上的轨迹就比较接近用户期望的移动轨迹了。但是如果想要得到一种更好的体验效果，则需要不停地分析用户的移动轨迹，动态地更新参考平面，这样才能使用户每一次的移动更好地在二维平面上进行反馈。

RF发射模块主要是将相应的数据流通过RF方式发送给相应的控制设备。随着控制传输的数据量增大，原有的红外传输方式巳不能满足要求，因此在智能遥控器其主要采用RF传输方式，而其传输协议主要有：非标私有协议、蓝牙、Zigbee、WIFI等。

4 结束语

本文是对智能遥控器的设计作一个浅析介绍，其实智能遥控器应用不仅仅局限于智能电视。智能家居已经给我们带来了美好的憧憬。现实上不少厂商为解决房间内使用过多遥控器的问题，研制出了综合多功能遥控器，把各种家用电器的遥控器功能全都集中到了一个控制器上，设计成了一个智能遥控器。即将的市场普及定能给智能遥控器带来广阔的应用市场。

参考文献：

[1]李蕾，刘卫东.智能遥控器中的MEMS惯性传感器数据处理[J].电脑知识与技术，2011，07（19）：4639.

批注：

①利用化学试剂的溶液，借助于化学或电化学作用显示金属的组织。