学位论文之动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用(pdf 56页).pdf

西安电子科技大学 硕士学位论文 动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用 姓名 寇睿 申请学位级别 硕士 专业 软件工程 指导教师 顾新 王耀杰 20070101 摘要 摘要 本文首先介绍了实现动作识别功能而选择的加速传感器的原理 指出基于加 速传感器的通讯终端开发具有很多独特的优势 接着文章对移动通讯终端的开发 平台进行了介绍 以S k y w o r k s S o l u t i o n s I n c 的S k y w o r k s 平台为例 提出了动作识 别技术在移动通讯终端操作系统的解决方案 指出动作识别技术在移动通讯终端 平台中的开发的可行性和可移植性 然后从软件工程的角度详细阐述一款具有动作识别功能的移动通讯终端产 品 动作识别功能部分的设计和实现 包括方案选择 驱动程序的设计与实现 软件通信协议 M M I 消息流程 上层应用程序的设计与实现等 通过这些介绍勾 勒出了整个移动通讯终端底层驱动和上层应用的框架 最后 文章以结合本人实 习所做的项目为例说明动作识别技术在移动通讯终端功能模块的设计与实现 关键字 移动通讯终端动作识别技术软件工程 A b s t r a c t A b s t r a c t T h ep r i n c i p l eo ft h ea c c e l e r a t i o ns e n s o ri Sf i r s ti n t r o d u c e d w h i c hc h o s e nf o r m o t i o nr e c o g n i t i o nf u n c t i o nr e a l i z a t i o n p o i n t e do u tt h a th a sv e r ym a n yu n i q u e s u p e r i o r i t yb a s e do nt h ea c c e l e r a t i o ns e n s o rw i t hm o v e a b l et e r m i n a ld e v e l o p m e n t A f t e rt h a tt h e p a p e r i n t r o d u c e st h a tt h em o v e a b l et e r m i n a l p l a t f o r m w i t h S k y w o r k s S o l u t i o n s I n c S k y w o r k sp l a t f o r ma sa ne x a m p l e t h es c h e m ed i s t i n g u i s h i n g t e c h n o l o g ys o l v i n gi nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n t e r m i n a lO Sh a v i n gb r o u g h tf o r w a r d a c t i o n p o i n t so u ta c t i o nd i s t i n g u i s h i n gt h et e c h n o l o g yf e a s i b i l i t yi ne x p l o i t a t i o ni n m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a lp l a t f o r mf r o mt r a n s p l a n t i n g A n dt h e n t h ea n g l ef r o mt h es o f t w a r e e n g i n e e r i n g s e t sf o r t ht h em o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l p r o d u c t a c t i o n o n eh a v i n ga c t i o nd i s t i n g u i s h i n ga f u n c t i o n d e t a i l e d l yd i s t i n g u i s h i n g f u n c t i o np a r t d e s i g n f r o mr e a l i z a t i o n D e s i g n d e s i g n i n gt h a ta n dc o m i n gt r e ew i t hr e a l i z a t i o n s o f t w a r ec o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t M M Ii n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s u p p e rs t r a t aa p p l i c a t i o ni n c l u d i n gt h a tt h e s c h e m ec h o o s i n gp r o c e d u r e S d r i v i n ga n dS Oo n I n t r o d u c et h ef r a m eh a v i n gd r a w nt h e o u t l i n eo fe n t i r em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a lb o t t o md r i v ea n du p p e rs t r a t a a p p l i c a t i o nb yt h e s e F i n a l l y t h ea r t i c l et a k e sb e i n gt i e di nw e d l o c kp r o j e c tm a d eb y m yp r a c t i c ea se x a m p l ee x p l a i n i n gt h a ta c t i o nd i s t i n g u i s h e st h et e c h n o l o g yd e s i g ni n m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a lf u n c t i o nm o d u l ea n dc o m i n gt r u e K e y w o r d M o v e a b l et e r m i n a l M o t i o nr e c o g n i t i o n S o f t w a r ee n g i n e e r i n g 创新性声明 声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 名 斑扛 日期 塑 兰 星 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 本人保证毕 业离校后 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学 学校有权保留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 保密的论文 在解密后遵守此规定 本人龋选暨 导师魏翠聱 日期 日期 弘 2 占 坳 土 亨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信技术的发展 1 1 1 第一代移动通信系统 第一代通信系统是典型的模拟移动通信系统 其主要制式有A M P S A d v a n c e d M o b i l eP h o n eS y s t e m 和T A C S T o t a lA c c e s sC o m m u n i c a t i o n sS y s t e m A M P S 采 用了小区复用模式 并可在需要时采用 扇区化 和 小区分裂 来提高容量 在无线传输中采用了频率调制 每个无线信道由一对单工信道组成 每个基站通 常有一个控制信道发射器和一个控制信道接收器 以及8 个或更多频分复用双工 语音信道 在一个典型的呼叫中 随着用户在业务区内移动 移动交换中心发出 多个 空白突发 指令 使该用户在不同基站的不同语音信道间进行切换 当正 在进行服务的基站的反向语音信道 R V C L 的信号强度低于一个预定的阀值 则 由移动交换中心产生切换决定 l 英国的T A C S 系统只是A M P S 系统的修改版本 主要是频段 频道间隔 频 偏信令速率不同 其它完全一致 第一代的主要缺陷是容量有限 保密性差 容易发生盗码并机 制式不统一 互不兼容 妨碍漫游 限制了服务覆盖面等 2 J 1 1 2 第二代蜂窝移动通信系统 第二代蜂窝移动通信以G S M G l o b a lS y s t e mf o rM o b i l eC o m m u n i c a t i o n s 窄 带 N C D M A 两大移动通信系统为代表 为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂 的状态G S M 移动通信系统发展了起来 它是基于T D M A 的数字蜂窝移动通信系 统 第一个对数字调制 网络层结构和业务作了规定 第二代数字移动通信系统主要制式 G S M 全球移动通信系统 D C S 1 8 0 0 T D M A I S 1 3 6 最初称为D A M P S C D M A I S 9 5 Q C D M A P D C 个人数字 蜂窝 G S M 系统的主要优点是标准化程度高 接口开放 联网能力强 能国际 漫游 能提供标准I S D N 业务 使用S I M 卡 实现机卡分离 保密安全性能好 具有鉴权 加密功能 频谱利用率比模拟系统好 系统容量大 价格便宜 2 动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用 1 1 32 5 代蜂窝通信系统 通用无线分组业务G P R S G e m e r a lP a c k e rR a d i oS e r v i c e 顶过升级G S M 网 络实现 采用T D M A T i m eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s 方式传输语音 采用分组 的方式传输数据 是欧洲电信协会G S M 系统中有关分组数据所规定的标准 可 以提供高达1 1 5 K b p s 的空中接口传输速率 G P R S 网为移动数据用户主要提供突 发性数据业务 能快速建立连接 无建链时延 G P R S 有其局限 有限的蜂窝站容量 需要S M S 作为数据传输的补充 S M S 使用不同的射频资源 实际传输速度比理论低得多 个人用户要得到的速度较快 的数据传输 要等E D G E 或U M T S 应用后才能实现 不能保证无线终止的终端 应用 不太理想的调制方式 需要E D G E 传输延迟 需要应用H S C S D 没有 存储和发送功能 需要S M S 1 1 4 第三代蜂窝移动通信系统 第三代移动通信系统有以下一些特点 速率高速移动时可达1 4 4 K b p s 慢速 移动可达3 8 4 K b p s 静止时2 M b p s 提供高质量的多媒体业务 实现多种信息一 体化 全球使用共用频段 在网络接口 互通及业务能力方面统一或协调 能把现 存的寻呼 无绳 蜂窝 卫星移动等通信系统综合在统一的系统中 与不同的网 络互通 提供无缝漫游和业务一致性 网络终端多样性 与第二代系统共存和互 通 开放结构 易于平滑过渡和演进 优化网络结构方面智能化和收发信机的软件 无线电化 用户可用唯一个人电信号码 P 1 N 在任何终端上获取所需要的电信 业务 超越了传统的终端移动性 真正实现个人移动性 第三代数字蜂窝移动通信系统的三个主要方案是北美的C D M A 2 0 0 0 系统 欧 洲的W C D M A 系统 中国的T D S C D M A 系统 它们都是建立在C D M A 技术基 础上 C D M A 已被广泛接收为第三代移动通信系统的重要技术 1 2 移动通讯终端的现状及发展趋势 作为移动通信终端产品 移动通讯终端 随着移动通信技术的发展也经历 了从模拟 G S M 到2 5 G 时代的发展 最早的模拟移动电话时代的移动通讯终端 功能仅仅局限于通话功能 而且受到技术 材料各方面的限制 款式上相对单一 缺乏变化 移动通讯终端从模拟时代走进G S M G P R S 时代时 移动通讯终端的发展就 越来越快 从单频到双频 从英文菜单到中文输入 从语音到短信 目前的移动 第一章绪论 3 通讯终端早已从研发产品转变为消费类产品 必须满足用户的多样化需求 因此 移动通讯终端显示屏的色彩可以达到1 8 位 2 6 万色 含有3 D 图形加速软件 百 万像素的C a m e r a 变为了流行 彩信M M S 和J A 悄游戏己经流行 存储空间越来 越大 l 英寸以下尺寸的微型硬盘已被应用到特定机型中 提供S D 和M M C 扩展 接口 W A P 浏览器等 而且移动通讯终端逐步变为了其它数码产品的综合体 如 数码相机 m p 3 闪存盘等 3 G 技术已经成熟 3 G 移动通讯终端是未来的趋势 它可以提供更高效的话 音服务 而且提供更快的数据传输速度 可以实现可视电话 流媒体等更先进的 功能 将改变人们的日常生活 在现代社会 随着通信技术不断的发展 通讯终端也越来越在人们的生活中 普及 各个生产终端的厂家为了提高自己产品的竞争力 努力将各种和生活经济 有关的技术运用到通讯终端里 比如T r S T e x tT oS p e e c h 技术 指纹识别技术 各种图像处理技术 动作识别技术等等 近几年来 随着信息技术的进步 尤其是l C 技术以及人工智能技术的飞速发 展 在动作识别领域已经取得了许多可喜的成果 初步进入实用化的阶段 目前 动作识别技术以及其相关的技术已经在很多领域得到了较广泛的应用 例如 汽 车安全方面的减震技术和防翻车技术 手提电脑和M P 3 以及M P 4 播放器的硬盘 锁定数据保护技术 全球导航系统中的全球导航系统的盲区补偿技术 工具系统 中倾斜计算技术 这些成熟技术的发展为动作识别技术在移动通讯终端中的应用 提供了保证 但是 动作识别技术在通讯终端 移动通讯终端上的应用却发展 缓慢 主要有以下原因 一 移动通讯终端的中央处理器 M C U 处理速度比 较慢 内存 R A M 资源有限 动作识别的实时性不能得到良好的保证 通讯终端的待机时间往往是评价其是否达标的重要标准之一 如何在功能和功耗 之间达到一个平衡也是需要解决的问题 三 由于动作识别的识别引擎对于单一 动作的识别效率虽然较高 但对于应用中多种动作交错的复杂信息的识别还存在 困难 识别效果并不理想 四 单单得到G S E N S O R 的识别结果是不够的 还 必须经过不同通讯终端平台的消息处理系统 对不同的动作做出不同的上层程序 的响应 移动通信技术迅猛发展 从使用模拟调制方式单一的话音业务经历了当前的 使用数字调制的第二代移动通信系统 而且即将迎来了第三代移动通信系统 3 G 移动通讯终端产品也在随之相应的变化 在高度的集成化下 移动通讯终端平台 的概念应运而生 移动通信终端市场经济增长值在短时间内迅速膨胀起来 成为 各移动通讯终端芯片厂商 移动通讯终端制造商 移动通讯终端设计公司 移动 通讯终端合作C P S P 公司 移动运营商 中国传媒业及I n t e m e t 网络业竞相追 逐的一块宝地 各大小公司八仙过海 各显神通 在竞争中渗透 在合作中创新 4 动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用 通过采取延伸业务内涵 增强品牌信誉度 提升产品性价比 扩大移动通讯终端 内在 外在价值等多种方式 努力争抢市场先机 以赢取更多的市场份额 但随 着当前移动通讯终端市场已快速地由幼稚期 成长期发展到了成熟期 移动通讯 终端芯片 移动通讯终端制造商已具有了一定规模和实力 生产技术和工艺水平 都处于精细阶段 所以在激烈的市场竞争中 移动通讯终端的个性优势将成为今 后移动通讯终端市场的一大亮点 移动通讯终端的设计从单一话音使用向音乐移 动通讯终端 多媒体移动通讯终端 多模移动通讯终端等方向发展起来 而与之 密切相关的移动通讯终端平台开发设计扩展能力及其高度的集成能力 也必将是 移动通讯终端市场的一个核心和潜在竞争力 其在很大程度上主宰着移动通讯终 端市场发展方向 也就是说未来移动终端市场的主战场将转向移动通讯终端平台 设计开发与应用能力的竞争p J 1 3 论文的课题背景和研究思路 随着网络技术的发展和S e r v e r 端识别能力的不断提高 使得动作识别技术在 移动电话上的应用和实现成为可能 动作识别技术在其他工程领域已经得到了相 当长时间的发展 但是在移动通讯终端中的发展还是处于摸索阶段和简单的功能 实现上 本文是结合本人的工作经验 基于S k y w o r k s S o l u t i o n s I n c 公司S k y w o r k s 平台移动通讯终端的动作识别模块 从项目确立 方案选择和实现 调试测试到 项目完成 论文通过对动作识别系统原理和组成的深入研究 设计实验评估了动作识别 系统的不同构架方式 并提出了动作识别技术在移动通讯实际应用中的优化考虑 提取动作信号特征实现动所信号的参数化 是动作识别系统客户端的重要任务 本文分析了S k y w o r k s 通讯终端开发平台的架构 从芯片与基带的通讯 M M I 消 息传递流程等 最后 本文通过在S k y w o r k s S o l u t i o n s I n c 公司S k y w o r k s 通讯终端 开发平台中实现动作识别系统的实例 总结和分析了在移动通讯终端中实现动作 识别的设计方法和实施方案 完成了应用层软件的开发 1 4 本章小结 本章主要介绍了论文的开发背景和研究意义 以及概要性的对此项目中所使 用的技术进行了叙述 基于本项目 简明的描述了本文的主要工作 研究方向以 及基本框架结构 为了以下各章内容的展开埋下了伏笔 第二章动作识别技术原理与分析 5 第二章动作识别技术原理与分析 2 1 加速传感器的基本原理 加速度传感器器件是基于单片C M O S 集成电路制造工艺而生产出来的一个 完整的双轴加速度测量系统 就像其它加速度传感器有重力块一样 M E M S I C 器 件是以可移动的热对流小气团作为重力块 器件通过测量由加速度引起的内部温 度的变化来测量加速度 加速度传感器中的质量块是气体 采用气态的质量块同传统的实体质量块相 比具有很大的优势 器件不存在电容式传感器所存在的粘连 颗粒等问题 同时 能抵抗5 0 0 0 0 9 的冲击 这使得器件的次品率和故障率很低 通过测量温度变化 来确定加速度的装置原理将在下面介绍 一个被放置在硅芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团 同时 由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向 在未受到 加速度或水平放置时 温度的下降陡度是以热源为中心完全对此时所有四个热电 耦组因感应温度而产生的电压称的是相同的 见图2 1 图2 1 传感器检测原理垂直剖面图 2 2 倾斜法数据输入过程 M E M S I C 的加速度传感器是一个低价格 双轴并且集成有混合信号处理电路的 线性运动传感器 这类线性传感器可以测量运动和静态的加速度 静态加速度的 动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用 一个特殊例子是重力加速度 当加速度传感器静止时 也就是侧面和垂直方向没 有加速度作用 那么作用在它上面的只有重力加速度 重力 垂直 和加速度 传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角 因为角度由灵敏轴和重力矢量组成的垂直平面决定 倾斜可以从各种初始的加 速度传感器位置测得 在大多数设计中 加速度传感器的位置由水平或者垂直的 P C B 印刷电路板 决定 选择每种位置进行倾斜测量都经过一定的权衡 极大多数数据输入可以在 6 0 范围内完成 用户可以通过倾斜设备同时观察 显示屏和声音的反馈来进行数据输入 用户可以通过选择不同的倾斜菜单来进入 不同的操作模式 比如倾斜滚屏 用于浏览电话本和地图 或者其他的一些特殊 模式 如游戏 计步器 动作警报器等等 倾斜模式数据输入对于那些掌上型小 设备很合适 同时也适用于大设备 矿 鼻一 a 水平放置的双轴倾斜测量 6 0 良好分辨率 t 长 b 竖直放置的单轴倾棠撇 4 3 6 0 6 良好分辨率 图2 2 倾斜传感器的两种位置 1 基于水平位置的倾斜角 在基于水平位置的倾斜角度不超过 6 0 的应用中 可以使用一个双轴加速度 传感器来测量两个轴上的倾斜 上图显示了加速度传感器基于水平初始位置的倾 斜图解 为了测得倾斜角度需要进行计算 因为加速度传感器的仅仅输出作用在感应轴 上的重力加速度值 加速度传感器输出和重力之问的关系如下 第二章动作识别技术原理与分析 7 A x g s i n a 匆一g s i n v 其中 A x 和A y 代表加速度传感器的输出 g 是以重力作为参考的加速度值 而a 和B 是倾斜角度为了计算倾斜角度 有必要知道反正弦方程 a s i n 1 A x g 夕H Is i n d a y g 下图显示T s i n 方程的关系注意对于那些大于6 0 0 的倾斜角度加速度传感器的输 出变化量很小这种s i n 方程的特性使得基于水平位置接近9 0 0 的倾斜角度不能被精 确测得 1 觚l j 5 f J J 0 t D f 甜 1 I s 1 一 一 一 r J r f 一 一f I l 一l1 一 9 氛l 3 nn3 l l6 9 l 伐o ri f t q l 傅ct e r o n it 赫l 终ct l I I j 图2 3 加速度 倾斜角图 从上图可以得到另外的一个有趣的结论 对于小的倾斜角度 正弦方程和线性 方程很接近 aak A x lk 姆 在一些应用使用线性近似可能有精度的要求 下表使用线性近似后各个倾斜范 围的精度误差 倾角o ko g 最大误差 1 05 7 5 0 0 0 2 2 05 8 1 6 O 1 6 8 动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用 3 05 9 0 4 0 4 8 4 06 0 4 7 1 1 3 5 06 2 3 5 2 2 4 表2 1 正弦方程使用线性近似时倾角误差 使用了线性近似后 加速度传感器的灵敏度被转换成了以k 为基准的倾斜角度 的灵敏度 例如 加速度传感器灵敏度I 对1 0 0 0 m V g 倾斜角度范围是 2 0 0 那么 倾斜灵敏度是 1 0 0 0 m V g 5 8 6 g 一1 7 加y 注意 对于小倾角电压输出相对的比较d 1 7 2 m V 所以噪声一定要被考虑 在倾斜计的设计中 M E M S I C 极低噪声加速度传感器具有一个限制带宽为1 H z 的 噪声滤波器 可以使噪声水平限制在l m V r m s 使用了这种加速度传感器 倾斜输 出噪声会小于0 1 m gr m s 总的说来 线性方程近似简化了加速度到倾斜角度的计 算 伴随着轻微的测量误差 2 基于垂直位置的倾斜角 当需要测量大于9 0 0 的倾斜角时 加速度传感器的x 和v 轴可以结合起来得到在 3 6 0 0 范围内都比较好分辨率 这需要一个双轴的加速度传感器来进行单个轴倾斜角 的测量 图1 b 显示了一个基于垂直初始位置的加速度倾角计 这时加速度和倾斜角之间的关系如下 参考图1 b A x g s i n 6 匆一g s i n r 在这里 d 丫 9 0 所以可以很容易得到d 或者丫的值 舡式子也可以写 成这样 血 g s i n r 9 0 一g c o s r 所以丫的值可以通过反正切方程求得 y I l l t a n 匆 a x 除了提供更好的倾斜角分辨率垂直构架提供了另外一个好处 本来两个输出都 有的误差由于A y 除以A x 而消去了 例如 执行了这个转换过程后 就不用对加 速度传感器进行温度补偿了 因为热电偶加速度传感器的灵敏度具有可重复的温 度特性 两个轴的输出都是相同的变化幅度 所以灵敏度随温度的变化对比值的 计算没有影响 第二章动作识别技术原理与分析 9 一个可以使用一个微控制器来执行这种测量方法必须的简单运算程序 图2 4 数字加速度传感器 微控制器接E l 很多8 位的微控制器很适合 不过由于容量的限制 它们的数学库内没有t 锄d 函数 这样微控制器程序员需要使用查表法或者数学拟合法来实现t a n 1 函数 比如 泰勒级数2 级或者3 级多项式 等等 所给的加速度传感器的A x 和A y 值 通过刖D 转换或者使用带有计时器的数字输 出加速度传感器 A x 和A y 值的极性将决定t 锄d 函数的象限 下面显示的程序具 有修正a r c t a n 函数象限的功能 返回一个在 p 2 至U p 2 范围内的一个角度 q u a d r a n t c o r r e c t 0 i f A y 0 q u a d r a n t c o r r e c t p i 2 e l s e q u a d r a n t c o r r e c t p i 2 i f A x 0 A x 0 0 0 0 0 0 1 a n g l e a r c t a n A y A x q u a d r a n tc o r r e c t 3 角度计的实现 在使用信号处理法实现加速度输出到倾斜角度测量转换之前需要预先做好很 多考虑 每个设计都需要自己的变量设置 比如 模拟或者数字控制的接口 倾 1 0 动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用 斜范围 机械安装要求 温度范围 等等 许多信号处理步骤被用来达到各种应 用的要求 见下图 虽然不是每个应用都需要所有的这些步骤 I 加速计h I 乙 偏移量滤波 噪声滤波 高通滤波 低通滤 器 波器 r 补偿一翟度一 温度灵敏度 补偿 I 一倾斜加速度卜 一倾斜输出 图2 5 加速度到倾斜信号的处理过程 在一个恒定温度工作环境的应用中 可以澳Y N d 的倾斜角度 仅需进行噪声滤 波进程 在一些需要变化的倾斜信号的应用 不需要实际的角度值 比如用在汽车和 摩托车的安全报警系统中 使用一个高通滤波器可以替代温度漂移的补偿 这个 高通滤波器可以通过变化相对较快的倾斜信号 但是它不会让那些变化的较慢的 偏移 比如由温度引起的变化 在高精度要求的应用中 当大于9 0 的角度需要被测量时 噪声滤波器和温度 漂移的补偿就变得有必要了 2 3 倾斜测量方法分析 倾角测量 M E M S I C 加速度传感器的一个最普遍的应用是用于倾角的测量 加速度传感器通过感知地球重力加速度在其测量轴上的分量的大小来确定物体的 倾斜角度 当M E M S I C 加速度传感器被水平放置时 两个灵敏轴与水平面平行 它对 位置或倾角的变化最为敏感 而当它被垂直放置时 两个灵敏轴与水平面垂直 对于位置或倾角变化的敏感度将下降 下面的图表描述了器件从 9 0 到0 倾斜过程中x 轴和Y 轴输出值的相应 变化 请注意当一根轴 每倾斜一度 的输出变化较小时 另一根轴的输出变化 第二章动作识别技术原理与分析 则较大 把两个轴的这一变化特性相互弥补可以设计成一款低价位精度较高的倾 角仪 图2 6 加速度传感器与重力加速度的相对位置 X 鞋Iy 鞑l X 轴 水甲坼倾斜一l 唾倾斜 谢的灾角 X 输I l j l 童的变化 Y 输 1 1 瞳的变化 k 2 譬I1 1 1 世 l g f I n 芝I 9 01 o r 00 150 0l7 4 5 8 50 9 9 61 3 70 0 8 71 7 舳0 9 8 52 8 80 1 7 41 7 1 6 7 D 0 9 4 05 8 6O N 二1 6 3 5 6 0O 8 6 68 5 90 5 0 01 5 0 4 4 5 0 7 0 7 1 2 2 30 7 0 71 2 2 3 3 0 0 5 t J 01 5 0 4 0 8 6 6 8 5 9 0 粥2 l6 3 50 9 4 0 5 黼 1 0O 1 7 4l7 1 60 9 8 52 8 8 5n f 8 71 7 3 70 9 9 61 3 7 00 1 lJ 1 7 4 5I 仪 OO J 5 表2 7 倾斜过程中X 轴和Y 轴的变化 分辨率 加速度传感器的分辨率受其噪声的限制 输出噪声的大小随频带宽 度而变化 将低频带宽度 用一个外部低通滤波器 可以降低噪声 提高信噪比 和分辨率 输出噪声以测量频宽的平方根为基本刻 而噪声的峰 峰值决定了分辨 率的大小 噪声的峰 峰值近似地等于其均方根值的6 6 倍 包括0 1 的平均不 确定因素 对于一个简单的低通滤波器 它的均方根噪声可以通过公式计算出来 N o i s e m g r e m s aN o i s e m g 4 m B a n d w i d t h H z 1 6 2 4 非线性度测量 M E M S I C 的加速度传感器是一个低价格 双轴并且集成有混合信号处理电路的 线性运动传感器 这类线性传感器可以测量运动和静态的加速度 静态加速度的 一个特殊例子是重力加速度 当加速度传感器静止时 也就是侧面和垂直方向没 1 2 动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用 有加速度作用 那么作用在它上面的只有重力加速度 重力 垂直 和加速度 传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角 因为角度由灵敏轴和重力矢量组成的垂直平面决定 倾斜可以从各种初始的加 速度传感器位置测得 在大多数设计中 加速度传感器的位置由水平或者垂直的 P C B 印刷电路板 决定 选择每种位置进行倾斜测量都经过一定的权衡 加速度传感器的输出由很多参数决定 包括测量基准非线性度和噪声等等 因 为每个参数对于不同的应用领域具有不同的重要性 一个经常出现的问题是在测 量非线性度的时候没有把轴基准偏差考虑进去 本节将描述一种排除基准偏差在 非线性度测量中引起误差的方法 非线性度是加速度传感器输出值和实际值的最大差值的绝对值 M E M S l C 加速度传感器的非线性度用满量程的百分比来描述 M E M S l C 加速度 传感器非线性度定义如下 n o n 1 i n 一 o u t p u t g i n p u t g 宰 加I I s c a l e g 1 0 0 非线性度也可以用读数的百分比来描述 在这时非线性度定义 如下 n o n 1 i n o u t p u t g i n p u t g 宰1 0 0 i n p u t g 为了计算非线性度 有必要知道和输出相对应的输入值输入值可能由参考传感 器决定 也可能用试验数据的曲线拟合法决定 使用参考传感器是一个可行的方 案 但是这需要一个昂贵的夹具来保证参考传感器与被测传感器之间严格对准 一种更好的替换方法是使用线性拟合法 可以知道夹具转动时重力加速度输出遵 循正弦曲线 所以输出数据的拟合曲线可以作为输入信号值输出数据可以拟合成 如下正弦曲线方程 o u t p u t 口 b s i n 2 万 a n g l e c 口 其中 a 加速度传感器的0 9 偏置 b 加速度传感器的灵敏度 d 是夹具的最大旋转角度 C 加速度传感器的安装偏差5 a n g l e 是每个倾斜位置的角度值 曲线拟合法使用计算机程序通过数学近似来确定常数a b c d 曲线拟合程 序通过迭代法确定非线性方程的参数M E M S I C 使用L e v e n b e r g M a r q u a r d t 法来确定 参数a b C d 的值 第二章动作识别技术原理与分析 一旦参数被确定和输出数据相对应的输入数据就被计算出来基于参数a b c d 电压l 邵傲转秧成刀口理发g 开计舁出非线任厦爹丐 农骶汜1 9 1 J 效倨 角度输出输入偏差非线性度 d e g V C l l r V Cf i t 曲 F S 01 3 1 81 3 1 90 0 0 3O 2 6 1 51 4 4 71 4 4 8O 0 0 2O 1 9 3 0 1 5 6 51 5 6 6 O 0 0 2 O 1 9 4 51 6 6 61 6 6 6 0 0 0 1 0 1 0 6 01 7 4 31 7 4 1 O 0 0 4 0 3 6 7 51 7 8 81 7 8 6 O 0 0 5 0 4 7 9 01 7 9 91 7 9 7 O 0 0 3 O 3 4 1 0 51 7 7 71 7 7 5 0 0 0 6 0 5 9 1 2 01 7 2 11 7 9 1 0 0 0 4 0 3 5 1 3 51 6 3 51 6 3 6O 0 0 1O 1 2 1 5 01 5 2 81 5 2 9O 0 0 10 1 3 1 6 51 4 0 3 1 4 0 6 O 0 0 7O 6 7 1 8 01 2 7 21 2 7 60 0 0 8O 7 6 1 9 51 1 4 51 1 4 7O 0 0 50 4 7 2 1 01 0 2 71 0 2 90 0 0 40 4 2 2 2 50 9 2 80 9 2 9O 0 0 1O 1 3 2 4 00 8 5 40 8 5 4 0 0 0 1 0 0 9 2 5 50 8 1 20 9 2 9 O 0 0 5 O 5 1 2 7 00 8 0 00 7 9 8 0 0 0 5 0 5 4 2 8 50 8 2 20 8 2 0 0 0 0 4 0 4 1 3 0 00 8 7 60 8 7 5 0 0 0 2 O 1 6 3 1 50 9 5 90 9 5 90 0 0 0 0 0 4 3 3 01 0 6 61 0 6 60 0 0 00 0 1 3 4 51 1 8 81 1 8 90 0 0 2O 1 8 3 6 01 3 1 71 3 1 9O 0 0 3O 3 2 表2 2 非线性度范围参考表 1 4 动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用 2 5 本章小结 本章主要介绍了加速传感器的原理 从加速传感器的构成 测量原理 数据 采集 数据分析等方面详细的介绍了加速传感器 有利于更好的理解加速传感器 的工作 也便于更好的应用 第二章移动通讯终端开发平台 1 5 第三章移动通讯终端开发平台 目前 国产移动通讯终端的设计的研发都属于第二层次的开发 即购买软硬 件平台 在此之上进行相应应用的开发 全世界现有的移动通讯终端平台也并不 多 主要有 T I 平台 德州仪器 P h i l i p s 平台 飞利浦 M T K 平台 中国台湾 I n f i n e o n 平台 英飞凌 A D I 平台 美国模拟器件公司A n a l o gD e v i c s e I N C S k y w o r k s 平台 其中S k y w o r k s 平台由美国S k y w o r k s S o l u t i o n s I n c 提供 该公司是业界领先的 无线半导体公司 专注于为移动通信应用提供射频 R F 和完整的半导体系统解 决方案 为全球手持设备 W L A N 和基础架构制造商提供无线构件 S k y w o r k s 的G S M G P R S 系统平台提供所有必需的开发组件和支持 包括 硬件 所有主要设备 包括基带 R F 和功率放大器 软件 完整的G S M G P R S 协议栈 带A P I 接口和全套系统工具 全球开发支持 涵盖设计 集成 工厂和现场测试以及G C F 包括全面型号 认证 的全方位支持 本文介绍其中的P e g a s u s T M G P R S 平台 它具有低成本 高性能的特点 并结 合了多媒体功能 在此对S k y w o r k s 平台作一个简单介绍 3 1 硬件结构 下图所示为P e g a s u s T M G P R S 平台原理框图 从图中可以看出 该平台有四颗 主要的芯片 分别完成基带处理 射频处理 电源管理和功率放大等功能 1 6 动作识别技术在移动通讯终端设备中的应用 P E G A S U S V MG P R SP l a t f o r m 图3 1 硬件电路结构图 C X 8 0 5 系列基带处理器 这是S k y w o r k s 系列平台的基带芯片 它是一个集成度很高的 双核处理器 一 颗D S P 处理器和一颗A R M 7 一T D M I 结构处理器 芯片 功耗低 性能高 适用 于G S M 和G P R S 移动通讯终端 其中D S P 处理器负责移动通讯终端语音信号处理 A R M 处理器负责 G S M G P R S 协议软件 P r o t o c o lS o f t w a r e 人机界面 M M l 以及多媒体应用处 理 两颗处理器通过一个双端存储器模块进行通信 每颗处理器都能在必要时各 自进入省电模式以减少功耗 C X 8 0 5 还提供和键盘 L C D 等M M I 外设的接口 提供S e f i a l R S 一2 3 2 和I r D A 的应用接口 支持多达1 6 M B 的F L A S H 或S R A M 外部存储器等 C X 2 0 5 2 4 混合信号器件 C X 2 0 5 2 4 是S k y w o r k s 系统平台中的混合信号器件 M i x e dS i g n a lD e v i c e 集 成电源管理 P M I C 等模拟电路 适用于多频G S M 和G P R S 移动通讯终端 它直接从单节3 6 V 锂电池取电 通过各种L D O L o wD r o pO u t p u t 电压调 整器产生各种工作需要的电压 它包含所有电源管理控制逻辑 S I M 卡集成接口 电路 同时适用于3 0 V 和1 8 VS I M 卡 射频控制功能 控制发送波形和功率等 级 音频 支持扬声器和麦克风的声音编码 解码 以及各种A D 和D A 转换等 功能 C X 7 4 0 6 3 收发器 第三章移动通讯终端开发平台 1 7 C X 7 4 0 6 3 是一个高集成的射频收发器 只需最少的外部组件就可以组成一个 射频子系统 它支持G S M 8 5 0 E G S M 9 0 0 D C S l 8 0 0 和P C S l 9 0 0 四个频带 其接收通道采 用直接下变频架构 D i r e c tD o w n C o n v e r s i o nA r c h i t e c t u r e 无需中频转化 大大 减少了移动通讯终端的体积 S K Y 7 7 3 2 1 是一个射频功率放大模块 P o w e r A m p l i f yM o d u l e 具有高效率 低漏电电流等特点 3 2 软件结构 S k y w o r k s 完整软件平台包括 协议栈和固件 已通过全球测试的完整的G S M G P R S 协议栈 可应用于所 有的S k y w o r k s 平台 M M IA P I 在客户M M I 应用程序和G S M 软件之间提供完整的接口 M M I 软件开发套件 支持早期开发和产品应用程序与S k y w o r k s 协议栈的 集成 开发和生产工具 支持客户应用程序开发和生产所需的测试 调试和分析 在程序开发时 S k y w o r k s 提供的工具有 编译 同很多基于A R M 处理器的程序一样 S k y w o r k s 应用程序使用A D S A R MD w v e l o pS u i t 编译器 由于工程巨大 编译配置选项复杂 因而S k y w o r k s 提供了m a k e f i l e 模板等工具 简化操作 用户只需根据自己的程序修改m a k e f i l e 文件 然后执行一两个脚本文件即可完成全部编译 调试 w i n t r a c e 是S k y w o r k s 的软件跟踪调试工具 将移动通讯终端通过串E l 跟踪线和计算机相连 移动通讯终端在运行时会将打印信息通过串E l 传给计算机 在w i n t r a c e 上显示 开发时可以在程序的不同地方加上不同的打印信息 以此追 踪程序执行流程 进行调试 下载 S k y w o r k s 提供专门的下载工具S k y w o r k sL a bT e s tS t u d i o 通过串E l 下 载线即可将程序写入移动通讯终端板 操作十分简单 S k y w o r k sL a bT e s tS t u d i o 还可以完成初始化只读存储器 写入射频参数等功能 时S k y w o r k s 系统平台中的 一个重要工具 动作识别技术在穆动通讯终端设备中的麻川 H3 2 S k y w o r k sL a b T e s t S t a d i ar 载界面截图 33 软件系统体系结构 嵌入式实时操作系统的多样性 要求P D A 移动通l n 终端等嵌人式软件服务 在卟 列的操作系统zL 用户也可以根据需求特点定制扩展系统功 凼此 为屏 蔽底层备类实时操作系统的差异 向上层软件提供一个统一的接u 通过分析 V x w o r k s L i n u x R T X C 等多种操作系统的共性 虚拟噪作系统平台有着面向对象技术的一些特性 比如模板 继承 动态绑 定 对操作系统进行了O O 包装 向卜层提供类型丰富 类型安全 健壮 强类 型 的c 接口 并且采用多种技术来降低和消除多种额外的性能丌销 在这 种结构下 用户可以有选择的继承 聚合 实例化各种系统构件 如图33 所示 虚拟操作乐统平台呵分为三层 操作系统适配层 操作系统内核封装层和组件运 行支撑环境 第三章移动通讯终端开发平台 1 9 曰圈曰圈 图3 3 虚拟系统平台示意图 通过基于R T X C 操作系统封装层的设计 在仍适配层上提供类型安全的C 接口 屏蔽了下层操作系统的差异 为上层提供了一致的接口 缩短开发周期 降低开发难度 由于操作系统按对象进行封装 就有效的支持了上层系统配置组 件的功能 整个软件高层构件化 所有的功能部件都用组件的形式封装起来 基 于构件的软件复用和可移植特性是产业界开发大型软件系统的主要途径之一 其 关键是系统抽象和基于中间件的构件运行支撑平台 运行支撑层处在O S 适配层 和组件之间 采用面向对象的中间件技术 有效的支持P D A 领域的特性封装 实 现平台的可移植性和扩展性 环境采用面向对象的实时中间件技术 针对P D A 移动通讯