手机中的那些人机交互都是怎么实现的

如今的智能手机功能越来越强大，从最开始打电话发短信，到现在的拍照上网打游戏，手机已经成为“陪伴”人们时间最长，交互最多的东西。手机中的那些人机交互都是怎么实现的呢？

1、触觉

取消键盘采用触摸屏标志着手机正式进入智能时代。现在流行的电容屏原理很简单，利用导电透明的ITO（氧化铟锡）膜，驱动做成M个发射通道，感应做成N个接收通道，横纵交错，就可以形成互电容，即为触控感应点。图案可以做成条形，双条形，双面菱形，菱形+六边形等。

当有手指触摸屏幕时，感应电容Cx变小，给外部调制电容Cmod充电更快，当Cmod电压达到Vref后，触发开关，电阻RB接地放电，Cmod电压低于Vref后开关断开，又开始给Cmod充电，形成Sigma-Delta调制。有手指触摸相比无触摸时，充电时间变短而放电时间不变，因而占空比增加，相同时间内的方波数量变多。输出方波比特流与PWM信号进行与运算，即可计算脉冲扫描周期内的方波数量，从而检测出触摸位置。

除了触控之外，触觉反馈也是现在手机的一大卖点。Home键解锁的细腻振感，闹钟拨盘和滑杆的清脆触感，游戏里摩擦碰撞的立体反馈，都是依靠线性马达的振动实现。低端机采用的转子马达通过磁场使转子旋转产生振动，启动停止都慢，较为拖沓，声音也是“嗡嗡嗡”的。中高端手机普遍采用线性马达，特别是X轴线性马达。通电后弹簧质量块可以在上下左右方向产生振动，启动停止速度都很快，振感立体干脆，因而可以做到细腻的触感，声音也是“哒哒哒”的。

2、视觉

作为最主要的信息交互渠道，视觉在人机交互中所占的分量越来越重。
我们在触控屏上点开某个图标后，显示驱动芯片迅速开始工作，将对应的画面呈现在屏幕上。LCD屏的液晶层上下会有透明电极，行扫描线决定这一行的TFT晶体管是否开启，列信号线控制加在液晶的电压大小，从而影响液晶层的透光率。从屏幕底部投射上来的背光源经过这层被扫描线和信号线共同决定的液晶层后，就会产生明暗不同的光。投射上来的光向外辐射时经过彩色滤光片就变成了明暗可控的红绿蓝三原色，从而可以显示出任意配比的色彩。

LCD因为有背光存在，且LCD无法完全遮光，因此会出现不够黑的情况，屏幕和边框的缝隙也会出现漏光现象，现在高端手机都开始采用AMOLED屏。

AMOLED采用LED自发光，无需再用背光模组，能耗大大降低。扫描线开启开关MOS，信号线的电平通过开关MOS给电容充电，打开驱动MOS，电容上的电压和信号强度成正比。OLED Power通过驱动MOS给LED的阳极提供驱动电流，发光强度和电流大小成正比，从而可以通过信号线控制光的明暗。在发光层，阳极来的空穴和阴极来的电子汇合，在有机材料中释放能量，使有机发光物质进入激发态，回落至基态时辐射跃迁，从而发出明暗可控的红绿蓝三原色的光。

另一个跟视觉强相关的是摄像头，图像传感。

开启相机拍照时，VCM（音圈）马达迅速开始工作，加在线圈上的电流，在磁场的作用下，会产生Z轴方向的力，推动镜头移动，电磁力与弹簧力平衡，从而控制镜头的位置。一般低端机器会用中置或底置的马达，而高端手机则会用OIS（光学防抖）马达，控制镜头的平移或者整个镜头的偏转，最高可以实现3°的抖动补偿。

远处的光通过摄像头模组聚焦后，进入Camera sensor，利用表层的IR膜滤掉红外杂光，经过微透镜，进入彩色滤光片，因为人眼对绿光更敏感，会按照拜尔阵列设计，G:R:B=4:2:2分配。最后在光电二极管上产生对应颜色的感应电流，从而将光信号转为电信号。而屏幕在设计时考虑到RGB三原色的使用寿命，也会按照G:R:B=4:2:2分配，正好和CIS对应了。

3、听觉

近年来TWS耳机的盛行使得手机扬声器颇为尴尬。作为最原始的手机功能之一，音频从最开始的打电话能响，到现在的立体声高音质，也是一路演进。从Codec解码的音频信号在Class D类功放里通过PWM调制被转为方波信号，驱动推挽结构的放大器工作，现在为了获得高音量，一般会在放大器内部集成升压电路。输出的方波信号通过LC低通滤波就可以还原为模拟的正弦波信号，驱动8欧姆喇叭里的线圈带动振膜发出声音。高端机的立体声方案则会多加一个喇叭，利用两个喇叭位置的不同产生声音信号时间和相位的延迟，从而在人耳产生立体声的效果。

手机接收声音信号则是通过硅麦实现。声音传到MEMS振膜上会使其产生形变，导致振膜与背极板之间的微电容变化，ASIC将这个电容变化转为电压变化传给手机，从而实现拾音。

4、其他

除了直观感受的触觉、视觉、听觉之外，手机上还有很多其他的交互方式。如实现屏幕靠近人体自动息屏的距离传感器（P Sensor），随着环境光强度改变屏幕亮度的环境光传感器（ALS），靠近人头后自动降低辐射的SAR Sensor，等等。

手机支持的功能越来越强大，背后默默付出的软硬件工程师们实在是太伟大了。
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