人機(jī)界面 (HMI) 是幾乎所有工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用的關(guān)鍵組件。隨著交互變得越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)對(duì)于許多環(huán)境來(lái)說(shuō)都不再適合：它們違反直覺(jué)，會(huì)轉(zhuǎn)移操作者執(zhí)行其他任務(wù)（如控制機(jī)器或駕駛車(chē)輛時(shí)）時(shí)注意力。

雖然有許多基于手勢(shì)控制的選擇，但是設(shè)計(jì)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(jiǎn)易性的關(guān)系。

本文將討論基于紅外感應(yīng)技術(shù)的手勢(shì)控制系統(tǒng)所需的組件。同時(shí)會(huì)介紹一款低成本傳感器評(píng)估板及其相關(guān)軟件，以幫助客戶(hù)加快開(kāi)發(fā)并提前讓產(chǎn)品上市。

非接觸式感應(yīng)應(yīng)用

無(wú)接觸感應(yīng)的第一個(gè)日常應(yīng)用就是檢測(cè)物體的接近并觸發(fā)相應(yīng)的響應(yīng)。自動(dòng)門(mén)、給皂器、門(mén)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(kāi)/關(guān)輸出的開(kāi)關(guān)，而手勢(shì)感應(yīng)則讓用戶(hù)通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)以直觀方式來(lái)控制系統(tǒng)。

手勢(shì)控制還讓用戶(hù)能夠通過(guò)大的活動(dòng)區(qū)域來(lái)改變操作方式，用粗移動(dòng)來(lái)替代細(xì)動(dòng)作。在使用手勢(shì)感應(yīng)技術(shù)的視頻游戲系統(tǒng)中，這個(gè)功能的主要用處就是檢測(cè)與復(fù)雜運(yùn)動(dòng)相關(guān)的移動(dòng)或跟蹤多個(gè)玩家。

紅外手勢(shì)感應(yīng)技術(shù)

視頻游戲系統(tǒng)使用激光器和專(zhuān)用相機(jī)來(lái)檢測(cè)用戶(hù)活動(dòng)，但對(duì)于許多像汽車(chē)這樣的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它們太過(guò)復(fù)雜和昂貴。例如，在這里僅需要簡(jiǎn)單左移或右移手臂即可改換無(wú)線(xiàn)電頻道（圖 1）。類(lèi)似地，可通過(guò)向上或向下劃動(dòng)或推入或退出運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)音量。

圖1：手勢(shì)感應(yīng)系統(tǒng)使用直觀運(yùn)動(dòng)來(lái)簡(jiǎn)化機(jī)器控制。（圖片來(lái)源：BBC/BMW）

由于紅外 (IR) 感測(cè)技術(shù)能夠低成本檢測(cè)各種簡(jiǎn)單的手勢(shì)，因此對(duì)于眾多工業(yè)、消費(fèi)和汽車(chē)應(yīng)用（圖 2）來(lái)說(shuō)都是絕配。硬件由位于電路板上分開(kāi)指定距離的兩個(gè)紅外發(fā)光二極管 (IRED) 組成，中間設(shè)有檢測(cè)器。

圖 2：使用兩個(gè) IR 二極管且在二極管間設(shè)有一個(gè)感測(cè)裝置的 IR 手勢(shì)感應(yīng)系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Vishay Semiconductor）

每個(gè) IR 發(fā)射器的輻射模式都是高度定向的。當(dāng)手越過(guò)發(fā)射器時(shí)，應(yīng)測(cè)傳感器測(cè)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(dòng)時(shí)，左（黑色）發(fā)射器的信號(hào)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(dòng)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(huì)分析信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，以確定是否作了劃動(dòng)手勢(shì)，如果是，再確定是朝哪個(gè)方向。

手勢(shì)感應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)例

典型手勢(shì)感應(yīng)應(yīng)用電路會(huì)在基本系統(tǒng)中增加一個(gè)第三 IR 發(fā)射器，使其能夠檢測(cè)上/下和左/右手勢(shì)（圖 3）。

圖 3：具有三個(gè)發(fā)射器的手勢(shì)感應(yīng)設(shè)計(jì)可以檢測(cè)左/右和上/下手勢(shì)。（圖片來(lái)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(gè)外部 IR 發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)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(hào)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(shì)。

圖4：VCNL4035可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)三個(gè)外部 IR 發(fā)射器，并且包括一個(gè)內(nèi)部環(huán)境光傳感器（圖片來(lái)源：Vishay Semiconductor）

為了節(jié)省電力并降低處理開(kāi)銷(xiāo)，VCNL4035 提供可編程中斷引腳，可在發(fā)生手勢(shì)事件或環(huán)境光變化時(shí)喚醒微控制器，無(wú)需持續(xù)輪詢(xún)。

VCNL4035X01 采用高度僅為 0.75 毫米的小型 4.0 x 2.36 毫米無(wú)引線(xiàn)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(lèi)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(lái)源：Vishay Semiconductor）

為了確定運(yùn)動(dòng)的方向，軟件必須能夠區(qū)分 IRED 輸出，以便比較它們。在手勢(shì)感應(yīng)模式下，VCNL4035 可以快速順序驅(qū)動(dòng) IRED，然后指示微控制器讀取包含三個(gè) 16 位光電二極管輸出的內(nèi)部寄存器。電流驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)時(shí)間和連續(xù)測(cè)量組之間的時(shí)間都是用戶(hù)可選擇的。

環(huán)境光傳感器 (ALS) 接收可見(jiàn)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(zhǎng)（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(duì)輻射強(qiáng)度與角位移曲線(xiàn)，因此適合用于手勢(shì)感應(yīng)應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Vishay Semiconductor）

手勢(shì)感應(yīng)設(shè)計(jì)考慮因素

在確定最佳設(shè)計(jì)之前，手勢(shì)感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要權(quán)衡諸多因素。一個(gè)是檢測(cè)范圍與電流消耗。另一個(gè)是 IRED 放置。

增加手勢(shì)可以檢測(cè)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(jì)的尺寸。

在前面討論的設(shè)計(jì)中，200mA 的 IRED 驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的典型輻射強(qiáng)度為 200 mW/sr，這樣才能檢測(cè)距傳感器板 40 厘米開(kāi)外的手勢(shì)。

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(duì)簡(jiǎn)單的接近應(yīng)用，或者檢測(cè)諸如手指移動(dòng)之類(lèi)的小手勢(shì)時(shí)，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(dòng)方向時(shí)距離就可以越遠(yuǎn)，也越具有優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)實(shí)證檢驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)最佳距離。

手勢(shì)檢測(cè)軟件

使用 VCNL4035 的輸出來(lái)確定預(yù)期手勢(shì)有幾種方法。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是設(shè)置對(duì)象的最小檢測(cè)閾值。越過(guò)閾值的上升沿表示手到了 IRED 上方，越過(guò)下降沿表示手已經(jīng)離開(kāi)了 IRED 的檢測(cè)區(qū)域。

通過(guò)兩個(gè) 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(huì)分析每個(gè)孤立測(cè)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(jì)算強(qiáng)度來(lái)分析來(lái)自多組（幀）測(cè)量的數(shù)據(jù)。這種算法每個(gè)幀會(huì)計(jì)算兩個(gè)量：每個(gè)信號(hào)相比其相應(yīng)樣本集的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及左右信號(hào)之間的時(shí)間延遲。通過(guò)將結(jié)果與用戶(hù)定義的閾值進(jìn)行比較，該算法可區(qū)分發(fā)生了什么類(lèi)型的手勢(shì)。

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(jì)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(hào)變化大，表明有手在傳感器上通過(guò)或向其移動(dòng)。

另一方面，低標(biāo)準(zhǔn)偏差意味著信號(hào)變化很小或沒(méi)有變化，表明在傳感器檢測(cè)區(qū)域中沒(méi)有手的信號(hào)，或者手沒(méi)有移動(dòng)的。信號(hào)之間時(shí)間延遲足夠大表示已經(jīng)進(jìn)行了劃動(dòng)手勢(shì)。這種計(jì)算方式還可以使用計(jì)算兩個(gè)信號(hào)之間重疊量的互關(guān)聯(lián)算法來(lái)估計(jì)延遲。

使用傳感器入門(mén)套件快速入門(mén)

Vishay的VCNL4020 傳感器入門(mén)套件是啟動(dòng) IR 手勢(shì)感應(yīng)設(shè)計(jì)的方便之門(mén)。該套件包括一個(gè) USB 加密狗、一塊插件式VCNL4020手勢(shì)演示板和一張包含 USB 驅(qū)動(dòng)程序和軟件的迷你 CD。

VCNL4020 本身就是一個(gè)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(dòng)一個(gè)外部 IRED，以便在需要時(shí)增加空間分隔。

圖 7：Vishay 的VCNL4020 傳感器入門(mén)套件提供了啟動(dòng)手勢(shì)感應(yīng)開(kāi)發(fā)所需的硬件和軟件。它是 Vishay 的默認(rèn)起點(diǎn)，并連接到各種各樣用于不同 Vishay 傳感器的擴(kuò)展板。（圖片來(lái)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(gè)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(gè) 3.3 伏穩(wěn)壓器，外加Microchip Technology的一個(gè) 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?yàn)樗艘粋€(gè)指示手勢(shì)方向的 LED 陣列。

VCNL4035 板所帶 CD 上的開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)了前面討論的標(biāo)準(zhǔn)偏差和互關(guān)聯(lián)檢測(cè)算法。

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

數(shù)據(jù)測(cè)量速率

測(cè)量采樣時(shí)間

上/下檢測(cè)閾值

左/右檢測(cè)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(shì)感應(yīng)屏幕，顯示了從左到右運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。（圖片來(lái)源：Vishay Semiconductor）

該入門(mén)套件包含一個(gè)可以在 National Instruments 的常用 LabVIEW 編程平臺(tái)上運(yùn)行的圖形用戶(hù)界面 (GUI)。圖中（見(jiàn)圖 8）所示為顯示從左到右運(yùn)動(dòng)結(jié)果的手勢(shì)感應(yīng)屏幕。左（紅）IRED 指第一條線(xiàn)，后面是中間（綠色）IRED，然后是右（藍(lán)色）IRED。

對(duì)于剛開(kāi)始使用 LabVIEW 環(huán)境的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，Digilent的LabVIEW Home Bundle為他們提供了一個(gè)以最低成本入手的機(jī)會(huì)。

結(jié)論

紅外手勢(shì)感應(yīng)系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)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(cè)工業(yè)、汽車(chē)和消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中的許多常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)。

Vishay 推出了各種各樣的光電元件和入門(mén)套件，可幫助開(kāi)發(fā)人員快速掌握 HMI 手勢(shì)感應(yīng)設(shè)計(jì)能力。其 LabVIEW GUI 的推出還簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)工作，有助于更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)取舍。