3D手势操控黑科技很玄?资深工程师教你一个电路方案搞定

2019年09月04日 作者:Teardown

旋钮、按钮、手柄和触摸屏是人类与机器和嵌入式设备的常用交互方式。不过,传感器技术的最新进展开辟了一条全新的道路,使开发人员可为产品添加三维 (3D) 手势控制。

由于所采用的技术各不相同,购买和集成手势控制器可能成本高昂。然而,市面上手势传感器技术种类繁多,从使用红外 LED 和光电二极管来检测动作的经济型传感器,到昂贵的手势识别相机。红外手势传感器经济实惠,可以通过数字接口与低成本微控制器连接,只需辅以简单的软件,精度足以应对许多应用。

本文探讨了使用 Broadcom 的 APDS-9960 进行手势控制的方法。几乎所有嵌入式系统都可轻松集成这款红外 (IR) 手势控制传感器。

基于 IR 的手势传感器

基于 IR 的手势传感器原理十分简单。用于检测手势时,开发人员可能需要检测以下几种不同手势:

  • 向上/向下
  • 向左/向右
  • 向前/向后

在上述每种情况下,传感器都需要检测运动方向,而这主要通过传感器的两大组件来实现:一个发光二极管 (LED) 和多个定向光电二极管。定向光电二极管由至少四个光电二极管组成,分别置于距 IR LED 预定义距离处。例如,Broadcom 的 APDS-9960 环境光、接近度和手势传感器将四个光电二极管布置为菱形,每个二极管用于指示一个方向,分别为上、下、左和右(图 1)。

当 LED 发射红外能量时,除非遇到手等物体发生反射,否则能量就会发射至空气中。光电二极管将检测到不同强度的反射能量,具体取决于物体的位置。例如,相比位于手势后边缘的光电二极管,前边缘光电二极管最初接收的反射能量较少,从而导致一个光电二极管的计数值比另一个高。在手势动作过程中,连续测量将导致不同位置的光电二极管检测的反射能量强度不同,而分析该方向信息流即可确定手势。

例如,若用户用手从传感器的顶部轻扫至底部,则在手势动作之初,下方光电二极管检测的入射光比上方光电二极管更强;在手势动作期间,手逐渐移动到两个二极管接收能量相等的点;而在手势动作完成时,下方光电二极管接收的反射光较弱,而上方光电二极管接收的更强,此时两光电二极管的曲线和相位完全反转(图 2)。

了解手势数据的生成原理后,下一步就来看看如何连接到 APDS-9960。

连接 Broadcom 的 APDS-9960 手势控制器

APDS-9960 采用 8 引脚表面贴装 (SMD-8) 封装,占用印刷电路板空间极小(图 3)。传感器尺寸仅为 3.94 × 2.36 × 1.35 mm。该封装包含正常电源和接地引脚、用于连接微控制器的 I2C 数字接口,以及用于定制 LED 驱动电路的引脚。此外,该封装还包含中断引脚,可用于通知微控制器处理可用的手势数据。

构建原型并连接 APDS-9960 有几种不同选项可供选择。例如,SparkFun 的 APDS-9960 评估板提供了包括 LED 驱动电路在内的小型分线板,以便实现开箱即用(图 4)。开发人员只需焊接针座以通过旁路绕过电源和接地,并将 I2C 总线和可选的中断引脚连接至微控制器,即可着手开发嵌入式软件了。此外,SparkFun 评估板还包含安装孔,若现有电路板有助于实现应用,则可直接运用到设计中。

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