基于MGC3x30 GestIC的手勢控制解決方案

平板電腦和智能手機(jī)幫助我們推廣了使用手勢控制電子設(shè)備的理念。手指捏合已成為縮小屏幕對象的代名詞；使用兩根及以上的手指滑動屏幕，可從一個圖片或應(yīng)用滑動至另一個圖片或應(yīng)用。我們現(xiàn)在完全熟悉了這些簡單的動作。

隨著這些手勢的日常使用，它們開始延伸到其他技術(shù)領(lǐng)域。這對于汽車應(yīng)用而言很重要，能夠在不分散駕駛員注意力的情況下實(shí)現(xiàn)控制功能。通常，此類手勢界面用作儀表板交互顯示屏的輔助部分。但是，手勢界面的關(guān)鍵優(yōu)勢是它不需要復(fù)雜的視覺顯示。設(shè)備上的聲音消息或燈光配置變化，可用于指示手勢已被識別以及狀態(tài)已經(jīng)變化。因此，在作為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的一部分提供環(huán)境智能的設(shè)備中，手勢界面將是非常有用的。

無需圖形界面的設(shè)備手勢比智能手機(jī)上的手勢更加簡單，后者通常會對使用手指數(shù)量的變化做出響應(yīng)。這些更簡單的界面通?；谡皇值囊苿印Ｔ?a target="_blank">傳感器面板前做向上掃動手勢，可指示室內(nèi)控制系統(tǒng)開燈。水平掃動手勢可指示供暖控制系統(tǒng)提高或降低溫度。手指快速輕拂，可以前進(jìn)到另一項(xiàng)功能，或者指示娛樂系統(tǒng)前進(jìn)到下一個音軌。

手勢的含義可以變化，具體取決于傳感器面板處于何種模式，或許簡單的 LED 報(bào)警器圖標(biāo)或語音消息會告訴用戶哪一種模式是活動的。通過與室內(nèi)各個系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連接，傳感器面板可以控制多種功能，這也是物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的主要優(yōu)勢之一。傳感器面板可以集成到桌子、墻壁控制以及揚(yáng)聲器等電子設(shè)備中。多部設(shè)備可同時(shí)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)，在室內(nèi)的不同位置提供便利的控制。

有多種方式可以檢測手勢動作，包括攝像頭和接近傳感器。但是，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，成本是一大問題?；跀z像頭的解決方案需要復(fù)雜的軟件來處理圖像，但實(shí)現(xiàn)了很高的靈活性，并具備了識別多種不同手勢的能力。

電場傳感器則擁有更低的成本且操作更簡單。該傳感器使用由交流電驅(qū)動的電極，在物體表面上方形成電場?？梢赃x擇頻率將電磁的磁場分量降至最低，并形成準(zhǔn)靜態(tài)近場，當(dāng)傳導(dǎo)性物體（例如手）移動到范圍內(nèi)，會對該電場產(chǎn)生干擾。

圖 1：標(biāo)準(zhǔn)和升壓傳感器類型的識別范圍。

當(dāng)用戶的手進(jìn)入感測范圍內(nèi)時(shí)，傳入的電場線將通過用戶的身體分流到大地，使整個電場發(fā)生失真。這種效應(yīng)將靠近手的電極信號電平降低到較低的水平，而傳感器陣列可以檢測到這一變化。手四處移動時(shí)，陣列的不同部分拾取這種運(yùn)動，并將電勢變化告知控制器 IC，例如 Microchip Technology 的 MGC3x30 GestIC。

圖 2：GestIC MGC3030 框圖。

GestIC 為最多五個接收電極和一個信號發(fā)射器提供了接口。接收和發(fā)射電極可采用任何導(dǎo)電材料制成，例如織物狀銅網(wǎng)或氧化銦錫 (ITO)。電極之間的隔離可以是任何不導(dǎo)電材料，包括阻燃纖維玻璃環(huán)氧樹脂 (FR4 PCB)、玻璃或塑料。電極頂部的可選覆蓋層也必須是不導(dǎo)電的。發(fā)射電極放置在接收電子元件陣列下方。

該設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)和升壓傳感器兩種選擇。標(biāo)準(zhǔn)傳感器適合通常采用電池供電的小型設(shè)備，這些設(shè)備與地面有弱連接。升壓傳感器類型使用更高的發(fā)射電壓，適合具有接地連接的大型設(shè)備，包括需要較大識別范圍的設(shè)備。使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器配置，接地連接可提供通常高達(dá) 100 mm 的更大識別范圍，而電池供電的未接地設(shè)備的識別范圍僅為 50 mm。傳感器形狀大約為方形或圓形，寬高比不超過 1:3。

GestIC 硬件識別人手的電中心點(diǎn)，當(dāng)該點(diǎn)在傳感器范圍內(nèi)移動時(shí)，還可跟蹤該點(diǎn)。用戶手的 XY 位置被最多四個傳感器電極拾取。第五個連接可用作按鈕或中心電極，以識別簡單的“按鈕觸摸”手勢。

為了簡化在系統(tǒng)中的集成，GestIC 器件包含自身的手勢處理固件，存儲在內(nèi)部閃存中。該固件包括基于隱馬爾可夫模型的 Colibri Suite 數(shù)字信號處理 (DSP) 算法，可執(zhí)行各種功能，例如接近檢測、位置跟蹤和手勢識別。它們還能夠使用基于消息的接口，將狀態(tài)更新發(fā)送至微控制器 (MCU)，另外還提供了處理固件更新的功能。

MCU 和 MGC3X30 之間的通信是使用 I2C 兼容雙線串行接口實(shí)現(xiàn)的。這使 MCU 能夠讀取傳感器數(shù)據(jù)，并將控制消息發(fā)送至芯片。它提供一個地址引腳，用于在同一總線上的最多兩個 MGC3X30 器件之間進(jìn)行選擇。GestIC 固件會更新傳感器讀數(shù)，默認(rèn)速率為 5 ms，每次會更新串行端口消息緩沖區(qū)，并將傳輸狀態(tài) (TS) 線拉低，指示有可用的新讀數(shù)。

主機(jī)可以設(shè)置多個運(yùn)行時(shí)參數(shù)，包括 GestIC 器件將要檢測的手勢類型。Set_Runtime_Parameter 的 0xA2 命令使用位掩碼，篩選出不需要的手勢類型。禁用某些手勢有助于提高其他手勢的識別概率，從而改進(jìn)簡單控制接口的可用性。GestIC 能夠識別的手勢包括沿直角坐標(biāo)軸方向的輕拂，以及順時(shí)針和逆時(shí)針方向的畫圈。

圖 3：GestIC 解決方案識別的手勢類型及其潛在用途

GestIC 固件還提供手在傳感器電場范圍內(nèi)移動時(shí)的位置更新，并與手勢更新一起輸出。其他信息包括第五個電極輔助識別的觸控事件，以及 AirWheel 數(shù)據(jù)。AirWheel 的工作方式與老式便攜式音樂播放器上的滾輪非常相似，但要在設(shè)備表面上方執(zhí)行手勢。

為了讓工程師能夠更簡單地為主機(jī) MCU 開發(fā)軟件，Microchip 開發(fā)了基于 C 語言的 API，還有參考代碼提供支持。該 API 處理各種功能，包括控制消息緩沖區(qū)、將消息位掩碼解碼為 C 結(jié)構(gòu)、執(zhí)行事件處理。這些功能可讓主機(jī) MCU 擺脫低級別協(xié)議及其時(shí)間約束。為了支持設(shè)計(jì)，還要在基于 Windows 的 PC 上運(yùn)行第二個軟件包 Aurea。該軟件可解析由 GestIC 發(fā)送的消息，并視覺呈現(xiàn)手勢和位置數(shù)據(jù)。使用 Aurea，開發(fā)人員可以優(yōu)化感測參數(shù)和布局，以便對目標(biāo)應(yīng)用提供最佳支持。配套開發(fā)套件提供了 I2C USB 橋，以便為傳感器和軟件開發(fā)提供原型支持。

結(jié)論

憑借低成本基于電場感測的硬件與軟件工具和固件的支持架構(gòu)的組合，MGC3x30 GestIC 提供了一種有效的解決方案，為眾多支持物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備帶來了直觀的界面。