在技術進步和不斷擴展的應用程序的推動下，手勢感知和識別是一個不斷增長的市場，特別是在物聯網（IoT）運動中。手勢識別變得特別突出的市場包括游戲，醫療保健，自動化，汽車和消費電子領域的便攜式和可穿戴設備。

圖1：無觸摸手勢控制已經進入汽車信息娛樂市場，最新的iDrive由寶馬推出。傳感器和控制電路的進步使得可穿戴設備的設計者可以使用相同的技術。

在最簡單的形式中，手勢感測電路可能包括IR LED，IR光電二極管，環境光傳感器和接近傳感器。然而，為了幫助設計人員縮短產品上市時間，出現了更高度集成的設備，子系統和模塊，其中包含多個光學傳感器和控制電路。

本文將考慮一個最近推出的解決方案，展示ams TMG4903光學傳感模塊。相關評估板TMG4903 EVM-ND可幫助設計人員快速有效地將手勢識別功能整合到下一代產品中，從而使他們能夠更快地將產品推向市場，并且與構建功能相比，物料清單（BOM）成本更低對于希望以更簡單的方式探索手勢識別的工程師和愛好者，基于Avago APDS9960的SparkFun SEN12787手勢傳感器分線板提供了一個低成本的起點。

來自分立設備。

市場增長

市場研究公司全球行業分析師 1 表示，到2020年全球手勢識別市場預計將超過127億美元。需求受到推動需要簡單，直觀的界面來控制手持和可穿戴設備中不斷增加的功能，例如智能手機，健康監視器和健身設備。便攜式和可穿戴設備的傳感器技術的顯著改進也推動了對新的人機界面（HMI）的追求。進一步增長將來自3D視覺，眼動追蹤和機器控制等領域的創新性新發展。

通過數學算法解釋，手勢識別和感應使更多創意，自然和直觀的方法與電子設備進行通信今天。例如，可穿戴設備中的手勢感測消除了在按鈕中設計的需要。該技術可以被利用，以允許人們使用全身運動，手部動作和/或面部表情來表達有意義的命令。

可穿戴設備的傳感器和控制電路等組件需要堅固，小巧且使用非常好功率小，以節省電池壽命。最近在設計的準確性，速度和簡單性方面的改進提高了質量水平，使得可穿戴設備成為更廣泛的醫療應用的越來越可行的解決方案。第一代消費類可穿戴設備，如智能手表和健身顯示器，因其新穎價值而獲得成功，但現在這些設備已從更準確可靠的傳感器中受益。因此，手勢識別被視為下一代產品差異化因素。

設計挑戰

總部位于歐洲的ams是智能傳感器（如紅外LED）與集成控制電路相結合的全球領導者。該公司已經制作了一份有用且具有說明性的技術文章，旨在幫助設計人員解決可穿戴設備市場 REF2 。該文章解釋說，通常，當用戶的手經過LED時，通過分析反射回光電二極管的IR光來識別手勢。

然而，設計可能具有挑戰性。通常，可穿戴設備將暴露于環境光（例如陽光），其可能包括一些IR亮度。此外，設備表面上的傳感器孔可能會被汗水，灰塵或污垢等污染物遮擋。需要非常靈敏的光電二極管來可靠地區分可歸因于環境光的IR光（在本申請中是背景噪聲）和從LED反射的IR光。因此，還需要先進的模擬半導體技術。

通常，在操作中，手勢識別系統會定期喚醒以掃描手勢。為了最大限度地減少電池使用，需要斷電和睡眠模式以及低功耗喚醒程序，并且最佳，無需操作IR LED。

使用適當的硬件，下一步是生成手勢控制應用軟件以解釋IR光的原始測量值。軟件需要計算用戶手的移動速度和方向，計算手與設備的距離，區分環境光和從IR LED反射的光，然后解釋移動以識別不同的手勢。根據AMS的說法，系統的質量，即能夠快速，可預測地識別手勢的能力，在很大程度上取決于應用軟件和傳感器硬件。

可穿戴設備制造商越來越多地尋找現成的傳感器系統，而不是分立的傳感器和處理組件。這種優化的系統可以節省設備制造商的設計時間和精力，以及提供消費者在下一代可穿戴電子設備中所要求的高性能和可靠性。集成方法的關鍵性能優勢包括：光學串擾，更容易建模和控制（可預測）;功率可變性，可以更可靠地校準; IR LED，光傳感器和驅動器的優化組合;模塊的物理容差更小。

模塊與離散

以ams的TMG4903為例，這款高度集成的光學傳感模塊采用紅外LED和先進的LED驅動器，環境光傳感器和彩色二極管陣列。 UV/IR阻塞濾波器和并行ADC同時產生16位結果，而IR光束模式發生器則帶有RAM和專用控制邏輯。其核心是手勢和接近引擎，可實現真正的3D手勢識別，增強簡單的南北，西南2D手勢感應。因此，該模塊提供多種先進的光學傳感功能，包括通用遙控器，條形碼仿真和RGB顏色傳感，以及接近和3D手勢檢測。

滿足小尺寸和低功耗的需求，該模塊包含在一個尺寸僅為2 x 5 x 1 mm的多模塊封裝中，電源電壓要求為1.7至2 V，在其工作狀態下通常消耗150μA（最大值200μA），30μA（60μA）最大）空閑時，睡眠模式下僅為0.4μA（5μA）。

圖2：來自ams的TMG4903手勢和接近感應引擎的方框圖，顯示了各種功能模塊的集成。

對于3D手勢識別和接近感應，該模塊具有自動調整功能。 IR LED的定時和功率輸出，從而最大限度地降低噪聲和功耗，同時優化靈敏度和動態范圍。重要的是，該模塊能夠抑制環境光噪聲，而自動校準可消除電噪聲和光學串擾。 LED驅動器的集成確保引擎專用于手勢識別，釋放主機設備的軟件并降低處理要求。

入門

要開始使用， TMG4903 EVM評估模塊由一個主控制器板組成，該控制器板具有手勢識別設備和PIC微控制器，具有行業標準USB2.0接口和電纜。簡單直觀的軟件允許設計人員設置關鍵功能的記錄和控制功能，如環境光傳感器，接近傳感器和聯合手勢識別。全面的用戶指南可指導設計人員完成設置參數，例如手勢周期中的脈沖長度，周期中的脈沖數和手勢周期的頻率。

在操作中，捕獲原始手勢數據通過四個定向光電二極管并在3D網格上與從接近傳感器獲取的Z數據一起呈現。除了檢測和識別移動手勢之外，還可以識別“長”手勢，例如模擬按鈕按壓。

圖3：用于TMB4903手勢和接近引擎的ams評估模塊。

釋放內部發明者

對于尋求低成本手勢感應和識別介紹的設計師和愛好者，SparkFun SEN12787 RGB和手勢傳感器分線板提供了研究環境光和色彩測量，接近檢測和非接觸式手勢感應的必要條件。它基于Avago APDS9960，這是一個集成濾波器和二極管以及I 2 C接口的集成模塊。

該器件本身尺寸為3.94 x 2.36 x 1.35 mm并采用紅外LED和工廠校準的LED驅動器。手勢和接近檢測基于四個方向光電二極管，以及來自環境光傳感器的數據。發動機的操作特征包括自動激活，環境光減法和串音消除。通過可調節的IR LED定時，最大限度地降低功耗和噪音。建議的電源電壓范圍為2.4至3.6 V.在3 V時，電源電流數值范圍為1μA（睡眠狀態），38μA（等待狀態），200μA（有效）至790μA（手勢和接近脈沖） ）。

為方便起見，開發板已經打破了許多引腳，包括：VL（IR LED的可選電源），GND，VCC，SDA（I 2 C數據），SCL（I < sup> 2 C clock）和INT（中斷）。該模塊可用于演示手勢識別，以控制基于微控制器的設備以及計算機或機器人。