為汽車和工業(yè)應用設計低成本手勢感應系統(tǒng)

人機界面 (HMI) 是幾乎所有工業(yè)和汽車應用的關鍵組件。隨著交互變得越來越復雜，傳統(tǒng)的開關設計對于許多環(huán)境來說都不再適合：它們違反直覺，會轉移操作者執(zhí)行其他任務（如控制機器或駕駛車輛時）時注意力。

雖然有許多基于手勢控制的選擇，但是設計師面臨的挑戰(zhàn)卻是如何平衡性能、精度與成本、功耗以及簡易性的關系。

本文將討論基于紅外感應技術的手勢控制系統(tǒng)所需的組件。同時會介紹一款低成本傳感器評估板及其相關軟件，以幫助客戶加快開發(fā)并提前讓產品上市。

非接觸式感應應用

無接觸感應的第一個日常應用就是檢測物體的接近并觸發(fā)相應的響應。自動門、給皂器、門廊燈和干手機均采用非接觸式傳感器作為輸入。

在這些系統(tǒng)中，接近傳感器充當提供數字開/關輸出的開關，而手勢感應則讓用戶通過三維運動以直觀方式來控制系統(tǒng)。

手勢控制還讓用戶能夠通過大的活動區(qū)域來改變操作方式，用粗移動來替代細動作。在使用手勢感應技術的視頻游戲系統(tǒng)中，這個功能的主要用處就是檢測與復雜運動相關的移動或跟蹤多個玩家。

紅外手勢感應技術

視頻游戲系統(tǒng)使用激光器和專用相機來檢測用戶活動，但對于許多像汽車這樣的應用來說，它們太過復雜和昂貴。例如，在這里僅需要簡單左移或右移手臂即可改換無線電頻道（圖 1）。類似地，可通過向上或向下劃動或推入或退出運動來調節(jié)音量。

圖1：手勢感應系統(tǒng)使用直觀運動來簡化機器控制。（圖片來源：BBC/BMW）

由于紅外 (IR) 感測技術能夠低成本檢測各種簡單的手勢，因此對于眾多工業(yè)、消費和汽車應用（圖 2）來說都是絕配。硬件由位于電路板上分開指定距離的兩個紅外發(fā)光二極管 (IRED) 組成，中間設有檢測器。

圖 2：使用兩個 IR 二極管且在二極管間設有一個感測裝置的 IR 手勢感應系統(tǒng)。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

每個 IR 發(fā)射器的輻射模式都是高度定向的。當手越過發(fā)射器時，應測傳感器測得的反射輻射將出現(xiàn)相應的尖峰。當操作者將手從左到右移動時，左（黑色）發(fā)射器的信號將在右（綠色）發(fā)射器之前增加和減少，反之從右到左運動亦然。

傳感器將數據發(fā)送到包含軟件的微控制器，然后微控制器會分析信號強度隨時間的變化，以確定是否作了劃動手勢，如果是，再確定是朝哪個方向。

手勢感應設計實例

典型手勢感應應用電路會在基本系統(tǒng)中增加一個第三 IR 發(fā)射器，使其能夠檢測上/下和左/右手勢（圖 3）。

圖 3：具有三個發(fā)射器的手勢感應設計可以檢測左/右和上/下手勢。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

該系統(tǒng)的核心是 Vishay Semiconductor 的VCNL4035X01IR 和環(huán)境光傳感器，采用 2.5 至 3.6 伏單電源供應。應用特定的集成電路 (ASIC) 包括用于三個外部 IR 發(fā)射器的驅動器、一個接收反射輸出的內部光電二極管和處理光電二極管信號的電路。使用工業(yè)標準 I2C 串行接口與外部微控制器通信，分析數據以解碼手勢。

圖4：VCNL4035可以驅動多達三個外部 IR 發(fā)射器，并且包括一個內部環(huán)境光傳感器（圖片來源：Vishay Semiconductor）

為了節(jié)省電力并降低處理開銷，VCNL4035 提供可編程中斷引腳，可在發(fā)生手勢事件或環(huán)境光變化時喚醒微控制器，無需持續(xù)輪詢。

VCNL4035X01 采用高度僅為 0.75 毫米的小型 4.0 x 2.36 毫米無引線封裝 (LLP)，因此能夠適應空間受限的智能手機、數碼相機、平板電腦等類似應用。

圖 5：VCNL4035 IR 光電二極管 (a) 和環(huán)境光傳感器 (b) 中的傳感器歸一化光譜響應。為方便比較展示了人眼反應。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

為了確定運動的方向，軟件必須能夠區(qū)分 IRED 輸出，以便比較它們。在手勢感應模式下，VCNL4035 可以快速順序驅動 IRED，然后指示微控制器讀取包含三個 16 位光電二極管輸出的內部寄存器。電流驅動強度、驅動時間和連續(xù)測量組之間的時間都是用戶可選擇的。

環(huán)境光傳感器 (ALS) 接收可見光并將其轉換為 16 位 ADC 值。VCNL4035 的 ALS 在 540nm 處具有峰值靈敏度，并且具有 430nm 至 610nm 的帶寬，與人眼幾乎一致。

IRED 要求

IRED 的輸出應匹配 VCNL4035 光電二極管的靈敏度響應，以確保獲得最佳性能。憑借 940 nm 的峰值波長（λP），Vishay Semiconductor 的VSMY2940RG系列發(fā)射器非常切合此目的。它們基于砷化鎵鋁 (GaAlAs) 表面發(fā)射器芯片技術，在脈沖工作（tp=100μS）模式和 1 安培正向電流條件下，提供了單位球面度 880 毫瓦的典型輻射強度 (mW/sr)。

此外，這些器件以非常定向的模式發(fā)射輻射，基本光束角在 ±10° 內（圖 6）。

圖 6：Vishay 的 VSMY2940RG 紅外發(fā)射器具有非常受限的相對輻射強度與角位移曲線，因此適合用于手勢感應應用。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

手勢感應設計考慮因素

在確定最佳設計之前，手勢感應系統(tǒng)的設計者需要權衡諸多因素。一個是檢測范圍與電流消耗。另一個是 IRED 放置。

增加手勢可以檢測的距離意味著提高 IRED 的輸出功率。由于輸出功率是其正向電流的函數，因此電力消耗也將增加，這是電池供電型設備所不期望的。較高功率也增加了必須消散的熱量，從而可能需要增加設計的尺寸。

在前面討論的設計中，200mA 的 IRED 驅動電流產生的典型輻射強度為 200 mW/sr，這樣才能檢測距傳感器板 40 厘米開外的手勢。

至于 IRED 放置，具體應用的需求決定了外部 IRED 的數量及其位置。對簡單的接近應用，或者檢測諸如手指移動之類的小手勢時，IRED 和傳感器之間的距離可能僅需幾毫米。

傳感器與 IRED 之間的間隔越大，確定手指劃動方向時距離就可以越遠，也越具有優(yōu)勢。經過實證檢驗，從而實現(xiàn)最佳距離。

手勢檢測軟件

使用 VCNL4035 的輸出來確定預期手勢有幾種方法。一個簡單的方法就是設置對象的最小檢測閾值。越過閾值的上升沿表示手到了 IRED 上方，越過下降沿表示手已經離開了 IRED 的檢測區(qū)域。

通過兩個 IRED 可確定事件發(fā)生順序，從而指明是發(fā)生了左劃還是右劃。該方法會分析每個孤立測量周期的結果，且需要很少的處理器資源。

另一種方法是，加大計算強度來分析來自多組（幀）測量的數據。這種算法每個幀會計算兩個量：每個信號相比其相應樣本集的標準偏差，以及左右信號之間的時間延遲。通過將結果與用戶定義的閾值進行比較，該算法可區(qū)分發(fā)生了什么類型的手勢。

標準偏差 s 衡量的是所分析幀內的數據分布。它使用以下公式計算：

其中 x? 是當前幀的平均值，n 是所分析的樣本數。

高標準偏差意味著信號變化大，表明有手在傳感器上通過或向其移動。

另一方面，低標準偏差意味著信號變化很小或沒有變化，表明在傳感器檢測區(qū)域中沒有手的信號，或者手沒有移動的。信號之間時間延遲足夠大表示已經進行了劃動手勢。這種計算方式還可以使用計算兩個信號之間重疊量的互關聯(lián)算法來估計延遲。

使用傳感器入門套件快速入門

Vishay的VCNL4020 傳感器入門套件是啟動 IR 手勢感應設計的方便之門。該套件包括一個 USB 加密狗、一塊插件式VCNL4020手勢演示板和一張包含 USB 驅動程序和軟件的迷你 CD。

VCNL4020 本身就是一個集成式接近和環(huán)境光傳感器，內置紅外發(fā)射器。在該演示板上，VCNL4020 還驅動一個外部 IRED，以便在需要時增加空間分隔。

圖 7：Vishay 的VCNL4020 傳感器入門套件提供了啟動手勢感應開發(fā)所需的硬件和軟件。它是 Vishay 的默認起點，并連接到各種各樣用于不同 Vishay 傳感器的擴展板。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

USB 加密狗能夠實現(xiàn)演示板與主機 PC 之間的 I2C 轉 USB 通信。它帶有一個將增強型 8051 微控制器與集成單芯片 USB 2.0 收發(fā)器結合在一起的 ASIC，即Cypress Semiconductor的CY768013A。它還包括一個 3.3 伏穩(wěn)壓器，外加Microchip Technology的一個 18 位單輸入三角積分模數轉換器（ADC）MCP3421，以提供額外的模擬輸入。

USB 加密狗是其他 VCNL 傳感器演示板的基礎，所有這些都是 Vishay 免費提供的，包括 VCNL4035 演示板。該板特別直觀，因為它包括了一個指示手勢方向的 LED 陣列。

VCNL4035 板所帶 CD 上的開發(fā)軟件實現(xiàn)了前面討論的標準偏差和互關聯(lián)檢測算法。

該軟件允許用戶更改數據采集和檢測算法的關鍵參數?？梢哉{整多個參數以對系統(tǒng)性能進行微調，包括：

數據測量速率

測量采樣時間

上/下檢測閾值

左/右檢測閾值

閾值斜率

標準偏差閾值

圖 8：使用用于 VCNL4035 的 LabVIEW GUI 的手勢感應屏幕，顯示了從左到右運動的結果。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

該入門套件包含一個可以在 National Instruments 的常用 LabVIEW 編程平臺上運行的圖形用戶界面 (GUI)。圖中（見圖 8）所示為顯示從左到右運動結果的手勢感應屏幕。左（紅）IRED 指第一條線，后面是中間（綠色）IRED，然后是右（藍色）IRED。

對于剛開始使用 LabVIEW 環(huán)境的開發(fā)人員來說，Digilent的LabVIEW Home Bundle為他們提供了一個以最低成本入手的機會。

結論

紅外手勢感應系統(tǒng)可以應對許多 HMI 挑戰(zhàn)。其低成本硬件和復雜軟件的組合可以檢測工業(yè)、汽車和消費類應用中的許多常見運動。

Vishay 推出了各種各樣的光電元件和入門套件，可幫助開發(fā)人員快速掌握 HMI 手勢感應設計能力。其 LabVIEW GUI 的推出還簡化了開發(fā)工作，有助于更好地實現(xiàn)設計取舍。