CN101583000B - 简化指令集合的电视控制系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交互式电视系统，其包括一个控制器，其通过单个3-轴加速计将用户的手部运动转换成三个轴上的加速度数据；以及一个交互式系统，其用来映射加速度数据输出和运动数据库里的预设数据，使得用户能够利用简化的指令集合远程控制电视中枢设备，控制器具有一个人体工程力学外壳和微控制单元，外壳上设置有用于激活3-轴加速计的按钮，微控制单元探测按钮的状态，在其激活3-轴加速计的状态下从3-轴加速计获得加速度数据，打包加速度数据和按钮状态数据，并通过无线通信模块发送到交互式电视系统的接收器。本发明也涉及一种使用一个集成有单个3-轴加速计的控制器来控制电视中枢装置的一个交互式系统的方法。

Description

简化指令集合的电视控制系统及其使用方法 

技术领域

本发明涉及一种用来控制电视中枢装置的交互式系统，特别涉及一个具有简化指令集合的控制器，用来远程控制交互式系统里的多个多媒体应用，特别是控制电视中枢装置，如电视机和机顶盒(STB)。发明概述 

传统的电视中枢装置的遥控器通常是一个简易设备，其被设置成每个按钮有一个功能。结果导致有许多按钮，为一些特定功能，用户需要较长时间在遥控器设备上寻找合适的按钮。这种遥控器设备不支持用户的偏好，并且受限于遥控器的默认功能。它同样也不支持导航(navigation)控制，因为在传统遥控器设备里每次按键仅能在向上/向下/向左/向右的方向上行进一步。它甚至不可能成为一个现今常用于电视游戏和电影里二维界面所有方向的指向装置。尽管现有技术能够探测用户的手部运动，但由于包含的重心引力，这种技术在计算时并不能准确地探测手部移动的距离。使用回转仪(gyroscope)来探测和补偿手部运动时的倾斜的其它技术，其成本高昂且耗能。 

为了满足电视中枢控制的迅速导航控制和二维界面的其它多媒体应用的需要，本发明披露了一种具有简化指令集合的电视控制系统。 

本发明的第一方面，涉及一个集成了单个加速计(accelerometer)的控制器，其用来感应用户的手部运动，并传输加速度数据到交互式系统的另一端，以便用户能够控制多媒体应用里的不同功能。本发明的控制器被设计成适合手部形状，具有一个人体工程力学外壳。控制器的底部被设计成能够立于平坦表面上，使得用户使用控制器时能够将它握在手里或放在平坦表面上。控制器主要由一个主PCB板和一些辅助芯片如功率转换器以及单独组件如电容器和电阻器构成，主PCB板包括几个单3-轴加速计集成电路(IC)芯片、一个微控制单元(MCU)。加速计IC芯片是主要组件，用来感应用户手部3-轴(x-轴、y-轴和z-轴)上的运动。 所述的人体工程力学外壳上设置有用于激活3-轴加速计的按钮。微控制单元探测按钮的状态，在其激活3-轴加速计的状态下从3-轴加速计获得加速度数据，打包加速度数据和按钮状态数据。控制器也集成有一个无线发射器和一个无线通信模块，用来从控制器发射不同类型的命令/数据到交互式系统的接收器。当用户垂直地握住控制器，持续按住按钮，用户可以缓慢地向左、向右、向前和向后扭转其手腕而控制光标相应地向左、向右、向下和向上。与传统的遥控器相比，本发明的控制器也减少了其控制板上的按钮数目。除了控制器，本发明的交互式系统也集成有一个接收器，用来接收从其相应控制器发射的信号。 

本发明的第二方面，涉及一种通过控制器的加速计来感应用户手部运动并从控制器发射该运动信号到交互式系统接收器的方法。本发明的方法包括：转换交互式系统到一个合适模式；启动控制器和交互式系统之间的无线数据通信；按下控制器上的一个按钮以激活控制器的加速计；通过MCU从激活的加速计获取加速度数据；打包加速度数据和控制器上的按钮状态数据；通过一个无线通信模块发射信息包数据到交互式系统。当用户垂直地握住控制器，持续按住按钮，可以缓慢地向左、向右、向前和向后扭转其手腕而控制光标相应地控制光标相应地向左、向右、向下和向上附图说明 

图1是本发明控制器的侧视图，其描述控制器的基本结构，包括一个顶板、一个手柄和一个平坦底部。 

图2是使用本发明控制器的方法的流程图。 

图3是当用户首先在垂直位置抓住控制器然后沿着X-Z平面倾斜时的控制器的侧视图。 

图4a是在本发明控制器里单个3-轴加速计的芯片组的侧视图，其是在平行于支撑的起始位置上(即z-轴垂直于地面)。 

图4b是在本发明控制器里单个3-轴加速计的芯片组的侧视图， 其已经从如图4a所示的起始位置以顺时针方向旋转了90°。 

图4c是在本发明控制器里单个3-轴加速计的芯片组的侧视图，其已经从如图4a所示起始位置以逆时针方向旋转了90°。 

图5a显示用来计算光标位置的角度示意图。α和β是手腕在X-Z平面上分别以顺时针方向和逆时针方向舒适扭转的阈值角度。 

图5b是显示当使用本发明控制器时通过用户手部运动起始光标点关于角度变化而发生的光标距离。发明详述 

控制器的基本结构如图1所示。 

在图1，控制器的基本结构包括：具有底部112的手柄111，可以直立在一个平坦表面如桌面上(未在图1内显示)；在顶部上的几个按钮，包括“电源”101、“静音”102、“向上”103、“向左”104、“确定”105、“向右”106、“向下”107、“菜单”108、“退出”109；在前面的一个按钮“功能”110；在顶部的显示电源状态(红色、绿色)的两个LED灯(未在图1内显示)。在手柄内部，包括：一个可重复充电或一次性的电池(未在图1内显示)；一个主PCB板(未在图1内显示)，其包括单个3-轴加速计113的芯片、一个微控制单元(MCU)(未在图1内显示)；以及一些辅助芯片(未在图1内显示)如功率转换器和单独组件(未在图1内显示)如电容器和电阻器；一个无线发射器如红外线(IR)发射器(未在图1内显示)，用来发射命令(即发射器将充当命令通道)；一个无线通信模块(未在图1内显示)，将充当数据通道以蓝牙、IrDA、ZigBee和振幅键控(ASK)的RF芯片组模式发送数据；连接主PCB和其它部件(即按钮、LED、电池、IR和无线通信模块)的线缆(未在图1内显示)。 

为了接收来自控制器的信号/数据，本发明的交互式系统的另一端也集成有一个IR接收器和无线通信模块，用来接收来自控制器的不同类型的信号/数据。交互式系统是在鼠标支持的操作系统(OS)里运行。 

本发明的控制器可以被用作一个普通的遥控器设备，其通过按下控制器的控制板上的按钮来操作。在一个实施例里，控制器可以被转换到命令通道模式。在那个实施例里，用户可以按下控制器的控制板上的按钮来控制TV/STB里的功能，包括调整音量、频道选择、亮度和对比度等。通过控制器的IR发射器，信号从控制器被发射到交互式系统的另一端。 

本发明的控制器也可以用作一个指向装置(pointing device)。在一个实施例里，控制器被转换到数据通道模式。在那个实施例里，用户通过按下控制器上的“功能”按钮启动数据通道模式。控制器的MCU探测到按下“功能”按钮，然后启动控制器和交互式系统之间的无线数据通信，交互式系统集成有相应的无线模块。如果没有按下“功能”按钮，控制器里的加速计处于睡眠模式。当MCU探测到按下“功能”按钮，MCU也激活加速计以测量三个轴的每个轴上的加速度。在“功能”按钮被按下的期间，MCU持续从加速计获得加速度数据，打包数据和按钮的状态(按下/松开)，并通过无线通信模块发送信息包到TV/STB。加速度取样、数据打包和信息包发送的频率可以从1到200Hz，优选地，从1到40Hz。一个信息包的例子在以下表格里进行描述。 

表格1： 

在表格1，每个加速度数据(即Acce_X，Acce_Y和Acce_Z)大约2字节长，而按钮状态(Button_Status)是大约1字节，阴影区域是指依照上述无线通信协议建立一个信息包的必需开销。加速度数据和按钮状态数据的长度不受此例子的限制，可以相应地进行调整。表格1内每个方框的长度不与数据尺寸或信号处理的长度成比例。 

在接收来自控制器的信息包之后，交互式系统的另一端将加速度数据映射到虚拟屏幕上的一个坐标(x，y)，并显示一个光标在那个位置。交互式系统也检查按钮状态以查看用户是否已经按下“确认”按钮以确认光标的选择。从用户的角度看，当用户垂直地握住控制器，并按下“功能” 按钮，他能够看到光标在屏幕的中央。持续按住按钮，用户可以缓慢地向左、向右、向前和向后扭转其手腕而控制光标相应地向左、向右、向下和向上。用户可以移动光标而指向期望的菜单/项，并按下在控制器顶部上的“确认”而确认期望的功能。一旦用户松开“功能”按钮，MCU随后发送一个具有新状态“功能”的信息包到TV/STB，如果没有改变“功能”的状态(即没有进一步按下“功能”按钮)，然后在数秒之后停止发送更多数据信息包。类似地，在相同时间之后，无线通信模块和加速计也被设置成睡眠模式。如果TV/STB从接收的数据探测到“功能”按钮已经释放了，它将隐藏光标在边缘或不再显示光标。 

数据通道模式的上述过程被概括为以下三个阶段，并在图2的流程图里进行描述。 

初始阶段：控制器的MCU从控制器上的“功能”按钮探测到事件(201)，然后激活加速计和与TV/STB的无线通信模块(202)。 

正常阶段：控制器继续发送信息包数据，包括加速度数据和按钮状态数据(203)。在交互式系统的另一端(TV/STB)，它从接收到的加速度数据计算光标目标位置，并通过OS鼠标接口显示一个光标在此位置(204)。同时，交互式系统确定按钮状态“确认”以查看用户是否已经选择一项，并相应地通过鼠标点击界面发送该事件到OS(205)。 

结束阶段：当用户松开控制器上的“功能”按钮，MCU继续发送数据数秒钟，然后设置无线模块和加速计到睡眠模式(206)。换言之，控制器不再通过控制器的无线模块发送任何数据。在交互式系统的另一端(TV/STB)，它探测到“功能”按钮的状态变化，如果不再从控制器发送数据，那么相应地隐藏光标(207)。 

图3描述当用户向左倾斜控制器时在X-Z平面上的角度变化。本发明控制器的加速计同时测量在三个轴上的加速度。加速计不仅仅探测加速度的幅度，而且探测加速度的方向。在一个实施例里，当一个轴的输出被定量到0-255之间的范围，那么128是指0加速度，而大于128的数 字是指朝这个轴的正向方向的加速度，而小于128的数字是指朝这个轴的反向方向的加速度。在那个实施例里，正向/反向可以由传感器的制造商设定。 

本发明的控制器可以被转换到模拟和数字传感器。当用户转换控制器到一个模拟传感器，每个轴的输出是电压值。当用户转换控制器到一个数字传感器，每个轴的输出是数位数字。对模拟传感器，加速度数据(电压)通过A/D转换器被转换成数字。数字格式的加速度将随后通过无线模块被发送。 

在图4a，控制器里加速计芯片401被放置在平行于地面的一个位置(即z-轴垂直于地面)。当控制器已经转换到数据通道模式以及控制器的MCU已经激活加速计时，关于从起始位置到手部移动之后的位置的角度变化，x-轴、y-轴和z-轴的加速度数据(分别标记为Acce_X，Acce_Y，Acce_Z)被记录下来。在图4a内，例如，假设每个轴的加速度数据的定量化范围是在0到255之间，沿着x-轴的加速度等于0，沿着y-轴的加速度等于0，则每个轴的加速度数据是Acce_x＝128，Acce_Y＝128，而Acce_Z＝Acce_Z_1G_Negative(z-轴的加速度数据取决于传感器的探测范围；1G是指1g重力加速度，Negative是指加速度方向指向z-轴的反方向)。在图4b，当用户在X-Z平面里向右倾斜控制器401里的加速计芯片90度时(即在X-Z平面里从图4a所示的芯片位置顺时针方向倾斜90度)，每个轴的加速度数据变成Acce_Z＝128，Acce_Y＝128和Acce_X＝Acce_X_1G_Positive(Positive是指加速度方向指向x-轴的正方向)。在图4c，当用户在X-Z平面里向左倾斜控制器401里的加速计芯片90度时(即在X-Z平面上逆时针方向倾斜90度)，则Acce_Z＝128，Acce_Y＝128和Acce_X＝Acce_X_1G_Negative。在一个实施例里，制造商设定加速度数据的幅度次序为Acce_X_1G_Negative＞128＞Acce_X_1G_Positive。在另一个实施例里，制造商设定加速度数据的幅度次序为Acce_X_1G_Negative＜128＜Acce_X_1G_Positive。上述定量化的数据被用来根据加速度数据的幅度而计算光标在交互式系统的屏幕上移动的距离。基于加速度数据而计算光标在交互式系统的屏幕上位移的方法将在以下本发明的披露里进行讨论。 

图5a描述控制器沿着x-轴角度变化的限制。在图5a内，α510和β520表示当分别顺时针和逆时针方向倾斜控制器时(即在X-Z平面上分别向右和向左倾斜控制器)控制器在z-轴的初始位置和控制器中心轴之间的角度阈值限定。初始z-轴表示开始时用户垂直握住控制器时控制器的位置。由于手腕的局限性，沿着x-轴的舒适的倾斜角度被假设小于某个角度。如α510和β520。 

图5b描述如何从控制器产生的加速度数据计算光标在图象用户界面(即屏幕530)上移动的水平位置。假设α和β的角度(未在图5b内显示)被设定为控制器的阈值限定，且传感器测量的在α上的加速度大于在β上的加速度(即Acce_X_Alpha＞128＞Acce_X_Beta)，依照以下条件(Cursor_X表示X坐标，在此例子里是光标的水平位置)：1)如果Acce_X＝128，Cursor_X＝宽度/2；2)如果Acce_X≥Acce_X_Alpha，Cursor_X＝宽度；3)如果Acce_X≥Acce_X_Beta，Cursor_X＝0；4)对Acce_X_Beta＜Acce_X＜128，Cursor_X＝宽度/2-(宽度/2)*((128-Acce_X)/(128-Acce_X_Beta))；5)对Acce_X_Alpha＞Acce_X＞128，Cursor_X＝宽度/2+(宽度/2)*((Acce_X-128)/(Acce_X_Alpha-128))，计算图5b内光标在图象用户界面530上移动的水平位置(未在图5b内显示)。 

或者，如果制造商期望在设计里倾斜相同的绝对角度时光标在屏幕上移动相同的距离(即相同的步长)，可以选择α和β之间的较小角度，假设是α，那么依照以上段落[0030]内的条件1-5，通过将Acce_X_Beta替换为with_Acce_X_Alpha，重新映射光标在屏幕上的水平位置。根据以上段落[0030]内的条件1-5关于沿着y-轴的加速度数据，也可以计算光标在屏幕上移动的垂直位置。 

尽管本发明已经结合示例描述了优选实施例，很明显本领域技术人员在不脱离本发明的范围和精神情况下可以对其作出其它改变和修正。

工业应用

本发明可以被应用于控制TV中枢系统和其它二维用户界面的多媒体。本发明也可以用于感应用户三维移动的任何机器的设计。 

Claims (9)

1.一种交互式电视系统的控制器，包括一个人体工程力学(ergodynamic)外壳，其集成有一个顶板、一个具有单个3-轴加速计和一个微控制单元的主PCB板，一个无线发射器、和一个无线通信模块；

所述控制器被设计成适合手部形状，所述控制器的底部被设计成能够立于平坦表面上，使得用户使用控制器时能够将它握在手里或放在平坦表面上；

所述外壳上设置有用于激活所述3-轴加速计的按钮，所述3-轴加速计用来感应用户的手部运动而产生加速度数据，所述微控制单元探测所述按钮的状态，在其激活所述3-轴加速计的状态下从所述3-轴加速计获得加速度数据，打包加速度数据和按钮状态数据，并通过所述无线通信模块发送到交互式电视系统的接收器；

当用户垂直地握住控制器，持续按住按钮，用户可以缓慢地向左、向右、向前和向后扭转其手腕而控制光标相应地向左、向右、向下和向上。

2.根据权利要求1所述的交互式电视系统的控制器，其中所述主PCB板还包括一个功率转换器、电容器和电阻器。

3.根据权利要求1所述的交互式电视系统的控制器，其中所述单个3-轴加速计还包括一个3-轴加速度数据的导出芯片组(derviation chipset)。

4.根据权利要求1所述的交互式电视系统的控制器，其中所述无线通信模块的模式选自：蓝牙、IrDA、ZigBee和振幅键控(ASK)的RF芯片组。

5.一种使用交互式电视系统控制器的方法，包括：转换所述控制器到数据通道模式；启动所述控制器和交互式系统之间的无线数据通信；按下控制器上的一个按钮而激活控制器的加速计；通过所述控制器里的单个3-轴加速计来感应用户的手部运动而产生加速度数据；通过所述控制器的一个微控制单元从所述单个3-轴加速计获取加速度数据；打包所述加速度数 据和所述控制器的按钮状态数据而产生分包数据(packetized data)；通过无线通信模块发射分包数据到交互式系统；映射所述加速度数据和存储在所述交互式系统里的预设数据；根据所述加速度数据的大小在所述交互式系统的屏幕上移动光标而建立一个新的光标位置；当用户垂直地握住控制器，持续按住按钮，可以缓慢地向左、向右、向前和向后扭转其手腕而控制光标相应地控制光标相应地向左、向右、向下和向上。

6.根据权利要求5所述的一种使用交互式电视系统的控制器的方法，其中所述感应还包括：同时在三个轴x-轴、y-轴和z-轴上感应用户的手部运动。

7.根据权利要求5所述的一种使用交互式电视系统的控制器的方法，其中所述打包和所述发射是在1-200Hz之间的频率上进行。

8.根据权利要求5所述的一种使用交互式电视系统的控制器的方法，其中所述加速度数据是2字节。

9.根据权利要求5所述的一种使用交互式电视系统的控制器的方法，其中按钮状态的所述数据是1字节。 

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