手勢(shì)傳感和識(shí)別是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)，受技術(shù)進(jìn)步和擴(kuò)展應(yīng)用的推動(dòng)，尤其是在物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 運(yùn)動(dòng)中。手勢(shì)識(shí)別變得尤為突出的市場(chǎng)包括游戲、醫(yī)療保健、自動(dòng)化、汽車和消費(fèi)電子領(lǐng)域的便攜式和可穿戴設(shè)備。

　　隨著 BMW 最新推出的 iDrive，非接觸式手勢(shì)控制已進(jìn)入汽車信息娛樂市場(chǎng)。傳感器和控制電路的進(jìn)步使??可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)人員可以使用相同的技術(shù)。

　　最簡(jiǎn)單的手勢(shì)感應(yīng)電路可能包括 IR LED、IR 光電二極管、環(huán)境光傳感器和接近傳感器。然而，為了幫助設(shè)計(jì)人員縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，集成了多個(gè)光學(xué)傳感器和控制電路的集成度更高的設(shè)備、子系統(tǒng)和模塊正在不斷涌現(xiàn)。

　　本文將考慮最近推出的一種此類解決方案，展示ams TMG4903 光學(xué)傳感模塊。相關(guān)的評(píng)估板TMG4903 EVM-ND可幫助設(shè)計(jì)人員將手勢(shì)識(shí)別快速高效地整合到他們的下一代產(chǎn)品中，從而使他們能夠更快地將產(chǎn)品投放市場(chǎng)，并且與構(gòu)建功能相比，材料清單 （BOM） 成本更低從分立器件。

　　對(duì)于希望在更簡(jiǎn)單的層面上探索手勢(shì)識(shí)別的工程師和愛好者，基于 Avago APDS9960 的SparkFun SEN12787手勢(shì)傳感器分線板提供了一個(gè)低成本的起點(diǎn)。

　　市場(chǎng)增長(zhǎng)

　　根據(jù)市場(chǎng)研究公司 Global Industry Analysts 1的預(yù)測(cè)，到 2020 年，全球手勢(shì)識(shí)別市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將超過 127 億美元。對(duì)簡(jiǎn)單、直觀的界面的需求推動(dòng)了需求的增長(zhǎng)，以控制手持和可穿戴設(shè)備中不斷增加的功能，例如作為智能手機(jī)、健康監(jiān)測(cè)器和健身小工具。便攜式和可穿戴設(shè)備的傳感器技術(shù)的顯著改進(jìn)也推動(dòng)了對(duì)新人機(jī)界面 （HMI） 的探索。進(jìn)一步的增長(zhǎng)將來自于 3D 視覺、眼動(dòng)追蹤和機(jī)器控制等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

　　通過數(shù)學(xué)算法的解釋，手勢(shì)識(shí)別和傳感使當(dāng)今的電子設(shè)備能夠以更具創(chuàng)造性、自然和直觀的方式進(jìn)行通信。例如，可穿戴設(shè)備中的手勢(shì)感應(yīng)消除了按鈕設(shè)計(jì)的需要。該技術(shù)可用于允許人們使用全身運(yùn)動(dòng)、手部動(dòng)作和/或面部表情來表達(dá)有意義的命令。

　　可穿戴設(shè)備的傳感器和控制電路等組件需要堅(jiān)固、小巧且耗電量極少，以延長(zhǎng)電池壽命。最近在準(zhǔn)確性、速度和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性方面的改進(jìn)提高了質(zhì)量水平，使可穿戴設(shè)備成為更廣泛的醫(yī)療應(yīng)用的日益可行的解決方案。第一代消費(fèi)者可穿戴設(shè)備，如智能手表和健身監(jiān)視器，因其新穎性而獲得成功，但現(xiàn)在這些設(shè)備正受益于更準(zhǔn)確、更可靠的傳感器。因此，手勢(shì)識(shí)別被視為下一代產(chǎn)品差異化因素。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　ams 總部位于歐洲，是開發(fā)集成控制電路的智能傳感器（如紅外 LED）的全球領(lǐng)導(dǎo)者。該公司制作了一篇有用且解釋性的技術(shù)文章，旨在幫助設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)REF2。該文章解釋說，通常情況下，當(dāng)用戶的手經(jīng)過 LED 時(shí)，通過分析反射回光電二極管的 IR 光來識(shí)別手勢(shì)。

　　然而，設(shè)計(jì)可能具有挑戰(zhàn)性。通常，可穿戴設(shè)備會(huì)暴露在環(huán)境光（如陽光）下，其中可能包括一些紅外亮度。此外，設(shè)備表面的傳感器孔徑可能會(huì)被汗水、灰塵或污垢等污染物遮蓋。需要非常靈敏的光電二極管來可靠地區(qū)分歸因于環(huán)境光（在此應(yīng)用中為背景噪聲）的紅外光和從 LED 反射的紅外光。因此，還需要先進(jìn)的模擬半導(dǎo)體技術(shù)。

　　通常，在操作中，手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)會(huì)定期喚醒以掃描手勢(shì)。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率喚醒程序，并且最好是不需要操作 IR LED。

　　有了適當(dāng)?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件，下一步就是生成手勢(shì)控制應(yīng)用軟件來解釋紅外光的原始測(cè)量值。該軟件需要計(jì)算用戶手的移動(dòng)速度和方向，計(jì)算手與設(shè)備的距離，區(qū)分環(huán)境光和 IR LED 反射的光，然后解釋移動(dòng)以識(shí)別不同的手勢(shì)。根據(jù)艾邁斯半導(dǎo)體的說法，系統(tǒng)的質(zhì)量，即其快速且可預(yù)測(cè)地識(shí)別手勢(shì)的能力，在很大程度上取決于應(yīng)用軟件和傳感器硬件。

　　可穿戴設(shè)備制造商越來越多地尋找現(xiàn)成的集成傳感器系統(tǒng)，而不是離散的傳感器和處理組件。這種優(yōu)化的系統(tǒng)可以節(jié)省設(shè)備制造商的設(shè)計(jì)時(shí)間和精力，并在下一代可穿戴電子設(shè)備中提供消費(fèi)者所需的高性能和可靠性。集成方法的主要性能優(yōu)勢(shì)包括： 更容易建模和控制（可預(yù)測(cè)）的光串?dāng)_；可以更可靠地校準(zhǔn)的功率可變性；IR LED、光傳感器和驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化組合；和更嚴(yán)格的模塊物理公差。

　　模塊與離散

　　以 ams 的TMG4903為例，這款高度集成的光學(xué)傳感模塊包含一個(gè) IR LED 和先進(jìn)的 LED 驅(qū)動(dòng)器、環(huán)境光傳感器和一個(gè)彩色二極管陣列。UV/IR 阻擋濾光片和并行 ADC 可同時(shí)產(chǎn)生 16 位結(jié)果，而 IR 光束圖案發(fā)生器帶有 RAM 和專用控制邏輯。其核心是一個(gè)手勢(shì)和接近引擎，可實(shí)現(xiàn)真正的 3D 手勢(shì)識(shí)別，增強(qiáng)簡(jiǎn)單的南北向、東西向 2D 手勢(shì)感應(yīng)。因此，該模塊提供了多種先進(jìn)的光學(xué)傳感功能，包括通用遙控器、條碼仿真和 RGB 顏色傳感，以及接近和 3D 手勢(shì)檢測(cè)。

　　為了滿足小尺寸和低功耗的要求，該模塊包含在一個(gè)尺寸僅為 2 x 5 x 1 mm 的多模塊封裝中，電源要求為 1.7 至 2 V，典型功耗為 150 μA（最大 200 μA）在其活動(dòng)狀態(tài)下，空閑時(shí)為 30 μA（最大 60 μA），而在睡眠模式下僅為 0.4 μA（5 μA）。

　　圖 ：ams 的 TMG4903 手勢(shì)和接近感應(yīng)引擎的框圖，顯示了各種功能模塊的集成。

　　對(duì)于 3D 手勢(shì)識(shí)別和接近感應(yīng)，該模塊可自動(dòng)調(diào)整 IR LED 的時(shí)序和功率輸出，從而最大限度地降低噪聲和功耗，同時(shí)優(yōu)化靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。重要的是，該模塊能夠抑制環(huán)境光噪聲，而自動(dòng)校準(zhǔn)可消除電噪聲和光學(xué)串?dāng)_。LED 驅(qū)動(dòng)器的集成確保引擎專用于手勢(shì)識(shí)別，釋放主機(jī)設(shè)備的軟件并降低處理要求。

　　入門

　　首先，TMG4903 EVM 評(píng)估模塊包括一個(gè)具有手勢(shì)識(shí)別設(shè)備的主控制器板和一個(gè)具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) USB2.0 接口和電纜的 PIC 微控制器。簡(jiǎn)單、直觀的軟件允許設(shè)計(jì)人員設(shè)置關(guān)鍵特性的記錄和控制功能，例如環(huán)境光傳感器、接近傳感器和相關(guān)手勢(shì)識(shí)別。全面的用戶指南引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成設(shè)置參數(shù)的過程，例如手勢(shì)周期中的脈沖長(zhǎng)度、周期中的脈沖數(shù)和手勢(shì)周期的頻率。

　　在操作中，原始手勢(shì)數(shù)據(jù)由四個(gè)定向光電二極管捕獲，并與從接近傳感器獲取的 Z 數(shù)據(jù)一起呈現(xiàn)在 3D 網(wǎng)格上。除了檢測(cè)和識(shí)別移動(dòng)手勢(shì)外，還可以識(shí)別“長(zhǎng)”手勢(shì)，例如模擬按鈕按下。

　　釋放內(nèi)心的發(fā)明家

　　對(duì)于尋求以低成本引入手勢(shì)感應(yīng)和識(shí)別的設(shè)計(jì)師和愛好者，SparkFun SEN12787 RGB 和手勢(shì)傳感器分線板提供了研究環(huán)境光和顏色測(cè)量、接近檢測(cè)和非接觸式手勢(shì)感應(yīng)的必要資源。它基于 Avago APDS9960，一個(gè)集成了濾波器和二極管以及 I 2 C 接口的集成模塊。

　　該設(shè)備本身尺寸為 3.94 x 2.36 x 1.35 毫米，并包含一個(gè) IR LED 和工廠校準(zhǔn)的 LED 驅(qū)動(dòng)器。手勢(shì)和接近檢測(cè)基于四個(gè)定向光電二極管以及來自環(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)。引擎的操作特性包括自動(dòng)激活、環(huán)境光減法和串?dāng)_消除。通過可調(diào)節(jié)的 IR LED 時(shí)序?qū)⒐暮驮肼暯抵磷畹汀?a target="_blank">推薦的電源電壓范圍為 2.4 至 3.6 V。在 3 V 時(shí)，電源電流數(shù)值范圍為 1 μA（睡眠狀態(tài)）、38 μA（等待狀態(tài)）、200 μA（活動(dòng)）到 790 μA（手勢(shì)和接近脈沖） ）。

　　為方便起見，開發(fā)板分出了多個(gè)引腳，包括：VL（IR LED 的可選電源）、GND、VCC、SDA（I 2 C 數(shù)據(jù)）、SCL（I 2 C 時(shí)鐘）和 INT（中斷）。該模塊可用于演示手勢(shì)識(shí)別，以控制基于微控制器的設(shè)備以及計(jì)算機(jī)或機(jī)器人。

　　概括

　　非接觸式手勢(shì)感應(yīng)和識(shí)別是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)，解決方案也在快速發(fā)展，新設(shè)備定期推出。它很可能成為非常小型的電池供電便攜式和可穿戴設(shè)備的下一個(gè)“必備”HMI 功能，使它們能夠減小尺寸并以更低的功率運(yùn)行，同時(shí)提供簡(jiǎn)單的操作。

　　然而，設(shè)計(jì)可能具有挑戰(zhàn)性。本文探討了兩種主題解決方案如何為工程師提供領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)：ams 的高度集成、高性能模塊和 SparkFun 的低成本入門板。