人機(jī)界面 (HMI) 是幾乎所有工業(yè)和汽車應(yīng)用的關(guān)鍵組件。隨著交互變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的開關(guān)設(shè)計對于許多環(huán)境來說都不再適合：它們違反直覺，會轉(zhuǎn)移操作者執(zhí)行其他任務(wù)（如控制機(jī)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(shè)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(guān)系。

本文將討論基于紅外感應(yīng)技術(shù)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(guān)軟件，以幫助客戶加快開發(fā)并提前讓產(chǎn)品上市。

非接觸式感應(yīng)應(yīng)用

無接觸感應(yīng)的第一個日常應(yīng)用就是檢測物體的接近并觸發(fā)相應(yīng)的響應(yīng)。自動門、給皂器、門廊燈和干手機(jī)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(dāng)提供數(shù)字開/關(guān)輸出的開關(guān)，而手勢感應(yīng)則讓用戶通過三維運(yùn)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(xì)動作。在使用手勢感應(yīng)技術(shù)的視頻游戲系統(tǒng)中，這個功能的主要用處就是檢測與復(fù)雜運(yùn)動相關(guān)的移動或跟蹤多個玩家。

紅外手勢感應(yīng)技術(shù)

視頻游戲系統(tǒng)使用激光器和專用相機(jī)來檢測用戶活動，但對于許多像汽車這樣的應(yīng)用來說，它們太過復(fù)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(yùn)動來調(diào)節(jié)音量。

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

由于紅外 (IR) 感測技術(shù)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(fèi)和汽車應(yīng)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(shè)有檢測器。

圖 2：使用兩個 IR 二極管且在二極管間設(shè)有一個感測裝置的 IR 手勢感應(yīng)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(dāng)手越過發(fā)射器時，應(yīng)測傳感器測得的反射輻射將出現(xiàn)相應(yīng)的尖峰。當(dāng)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(yùn)動亦然。

傳感器將數(shù)據(jù)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(qiáng)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(yīng)設(shè)計實例

典型手勢感應(yīng)應(yīng)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(yīng)設(shè)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(yīng)。應(yīng)用特定的集成電路 (ASIC) 包括用于三個外部 IR 發(fā)射器的驅(qū)動器、一個接收反射輸出的內(nèi)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(biāo)準(zhǔn) I2C 串行接口與外部微控制器通信，分析數(shù)據(jù)以解碼手勢。

圖4：VCNL4035可以驅(qū)動多達(dá)三個外部 IR 發(fā)射器，并且包括一個內(nèi)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(yīng)空間受限的智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、平板電腦等類似應(yīng)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(yīng)。為方便比較展示了人眼反應(yīng)。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

為了確定運(yùn)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(yīng)模式下，VCNL4035 可以快速順序驅(qū)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(nèi)部寄存器。電流驅(qū)動強(qiáng)度、驅(qū)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(zhuǎn)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(yīng)匹配 VCNL4035 光電二極管的靈敏度響應(yīng)，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(shù)，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(qiáng)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(nèi)（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(qiáng)度與角位移曲線，因此適合用于手勢感應(yīng)應(yīng)用。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

手勢感應(yīng)設(shè)計考慮因素

在確定最佳設(shè)計之前，手勢感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計者需要權(quán)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(shù)，因此電力消耗也將增加，這是電池供電型設(shè)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(shè)計的尺寸。

在前面討論的設(shè)計中，200mA 的 IRED 驅(qū)動電流產(chǎn)生的典型輻射強(qiáng)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(yīng)用的需求決定了外部 IRED 的數(shù)量及其位置。對簡單的接近應(yīng)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(yuǎn)，也越具有優(yōu)勢。經(jīng)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(yù)期手勢有幾種方法。一個簡單的方法就是設(shè)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(jīng)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(jié)果，且需要很少的處理器資源。

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

標(biāo)準(zhǔn)偏差 s 衡量的是所分析幀內(nèi)的數(shù)據(jù)分布。它使用以下公式計算：

其中 x? 是當(dāng)前幀的平均值，n 是所分析的樣本數(shù)。

高標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)進(jìn)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(guān)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(yīng)設(shè)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(qū)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(nèi)置紅外發(fā)射器。在該演示板上，VCNL4020 還驅(qū)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(yīng)開發(fā)所需的硬件和軟件。它是 Vishay 的默認(rèn)起點，并連接到各種各樣用于不同 Vishay 傳感器的擴(kuò)展板。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

USB 加密狗能夠?qū)崿F(xiàn)演示板與主機(jī) PC 之間的 I2C 轉(zhuǎn) USB 通信。它帶有一個將增強(qiáng)型 8051 微控制器與集成單芯片 USB 2.0 收發(fā)器結(jié)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(shù)轉(zhuǎn)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(chǔ)，所有這些都是 Vishay 免費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)偏差和互關(guān)聯(lián)檢測算法。

該軟件允許用戶更改數(shù)據(jù)采集和檢測算法的關(guān)鍵參數(shù)。可以調(diào)整多個參數(shù)以對系統(tǒng)性能進(jìn)行微調(diào)，包括：

數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)偏差閾值

圖 8：使用用于 VCNL4035 的 LabVIEW GUI 的手勢感應(yīng)屏幕，顯示了從左到右運(yùn)動的結(jié)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(yùn)行的圖形用戶界面 (GUI)。圖中（見圖 8）所示為顯示從左到右運(yùn)動結(jié)果的手勢感應(yīng)屏幕。左（紅）IRED 指第一條線，后面是中間（綠色）IRED，然后是右（藍(lán)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(jī)會。

結(jié)論

紅外手勢感應(yīng)系統(tǒng)可以應(yīng)對許多 HMI 挑戰(zhàn)。其低成本硬件和復(fù)雜軟件的組合可以檢測工業(yè)、汽車和消費(fèi)類應(yīng)用中的許多常見運(yùn)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(yīng)設(shè)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(shè)計取舍。