ams TMG4903光學(xué)傳感模塊構(gòu)建手勢識別技術(shù)

在技術(shù)進(jìn)步和不斷擴(kuò)展的應(yīng)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(lián)網(wǎng)（IoT）運(yùn)動中。手勢識別變得特別突出的市場包括游戲，醫(yī)療保健，自動化，汽車和消費(fèi)電子領(lǐng)域的便攜式和可穿戴設(shè)備。

圖1：無觸摸手勢控制已經(jīng)進(jìn)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(jìn)步使得可穿戴設(shè)備的設(shè)計者可以使用相同的技術(shù)。

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(huán)境光傳感器和接近傳感器。然而，為了幫助設(shè)計人員縮短產(chǎn)品上市時間，出現(xiàn)了更高度集成的設(shè)備，子系統(tǒng)和模塊，其中包含多個光學(xué)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(xué)傳感模塊。相關(guān)評估板TMG4903 EVM-ND可幫助設(shè)計人員快速有效地將手勢識別功能整合到下一代產(chǎn)品中，從而使他們能夠更快地將產(chǎn)品推向市場，并且與構(gòu)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(diǎn)。

來自分立設(shè)備。

市場增長

市場研究公司全球行業(yè)分析師 1 表示，到2020年全球手勢識別市場預(yù)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(shè)備中不斷增加的功能，例如智能手機(jī)，健康監(jiān)視器和健身設(shè)備。便攜式和可穿戴設(shè)備的傳感器技術(shù)的顯著改進(jìn)也推動了對新的人機(jī)界面（HMI）的追求。進(jìn)一步增長將來自3D視覺，眼動追蹤和機(jī)器控制等領(lǐng)域的創(chuàng)新性新發(fā)展。

通過數(shù)學(xué)算法解釋，手勢識別和感應(yīng)使更多創(chuàng)意，自然和直觀的方法與電子設(shè)備進(jìn)行通信今天。例如，可穿戴設(shè)備中的手勢感測消除了在按鈕中設(shè)計的需要。該技術(shù)可以被利用，以允許人們使用全身運(yùn)動，手部動作和/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固，小巧且使用非常好功率小，以節(jié)省電池壽命。最近在設(shè)計的準(zhǔn)確性，速度和簡單性方面的改進(jìn)提高了質(zhì)量水平，使得可穿戴設(shè)備成為更廣泛的醫(yī)療應(yīng)用的越來越可行的解決方案。第一代消費(fèi)類可穿戴設(shè)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(xiàn)在這些設(shè)備已從更準(zhǔn)確可靠的傳感器中受益。因此，手勢識別被視為下一代產(chǎn)品差異化因素。

設(shè)計挑戰(zhàn)

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(jié)合的全球領(lǐng)導(dǎo)者。該公司已經(jīng)制作了一份有用且具有說明性的技術(shù)文章，旨在幫助設(shè)計人員解決可穿戴設(shè)備市場 REF2 。該文章解釋說，通常，當(dāng)用戶的手經(jīng)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(shè)計可能具有挑戰(zhàn)性。通常，可穿戴設(shè)備將暴露于環(huán)境光（例如陽光），其可能包括一些IR亮度。此外，設(shè)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(qū)分可歸因于環(huán)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(jìn)的模擬半導(dǎo)體技術(shù)。

通常，在操作中，手勢識別系統(tǒng)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(dāng)?shù)?a target="_blank">硬件，下一步是生成手勢控制應(yīng)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(shè)備的距離，區(qū)分環(huán)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(jù)AMS的說法，系統(tǒng)的質(zhì)量，即能夠快速，可預(yù)測地識別手勢的能力，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)成的傳感器系統(tǒng)，而不是分立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)計時間和精力，以及提供消費(fèi)者在下一代可穿戴電子設(shè)備中所要求的高性能和可靠性。集成方法的關(guān)鍵性能優(yōu)勢包括：光學(xué)串?dāng)_，更容易建模和控制（可預(yù)測）;功率可變性，可以更可靠地校準(zhǔn); IR LED，光傳感器和驅(qū)動器的優(yōu)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(xué)傳感模塊采用紅外LED和先進(jìn)的LED驅(qū)動器，環(huán)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(chǎn)生16位結(jié)果，而IR光束模式發(fā)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(xiàn)真正的3D手勢識別，增強(qiáng)簡單的南北，西南2D手勢感應(yīng)。因此，該模塊提供多種先進(jìn)的光學(xué)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(tài)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(yīng)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(yīng)，該模塊具有自動調(diào)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(yōu)化靈敏度和動態(tài)范圍。重要的是，該模塊能夠抑制環(huán)境光噪聲，而自動校準(zhǔn)可消除電噪聲和光學(xué)串?dāng)_。 LED驅(qū)動器的集成確保引擎專用于手勢識別，釋放主機(jī)設(shè)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(shè)備和PIC微控制器，具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)USB2.0接口和電纜。簡單直觀的軟件允許設(shè)計人員設(shè)置關(guān)鍵功能的記錄和控制功能，如環(huán)境光傳感器，接近傳感器和聯(lián)合手勢識別。全面的用戶指南可指導(dǎo)設(shè)計人員完成設(shè)置參數(shù)，例如手勢周期中的脈沖長度，周期中的脈沖數(shù)和手勢周期的頻率。

在操作中，捕獲原始手勢數(shù)據(jù)通過四個定向光電二極管并在3D網(wǎng)格上與從接近傳感器獲取的Z數(shù)據(jù)一起呈現(xiàn)。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(nèi)部發(fā)明者

對于尋求低成本手勢感應(yīng)和識別介紹的設(shè)計師和愛好者，SparkFun SEN12787 RGB和手勢傳感器分線板提供了研究環(huán)境光和色彩測量，接近檢測和非接觸式手勢感應(yīng)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(zhǔn)的LED驅(qū)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(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)。發(fā)動機(jī)的操作特征包括自動激活，環(huán)境光減法和串音消除。通過可調(diào)節(jié)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(shù)值范圍為1μA（睡眠狀態(tài)），38μA（等待狀態(tài)），200μA（有效）至790μA（手勢和接近脈沖） ）。

為方便起見，開發(fā)板已經(jīng)打破了許多引腳，包括：VL（IR LED的可選電源），GND，VCC，SDA（I 2 C數(shù)據(jù)），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(shè)備以及計算機(jī)或機(jī)器人。