手勢傳感和識別是一個不斷增長的市場，受技術進步和擴展應用的推動，尤其是在物聯網 （IoT） 運動中。手勢識別變得尤為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。
隨著 BMW 最新推出的 iDrive，非接觸式手勢控制已進入汽車信息娛樂市場。傳感器和控制電路的進步使可穿戴設備的設計人員可以使用相同的技術。
最簡單的手勢感應電路可能包括 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，集成了多個光學傳感器和控制電路的集成度更高的設備、子系統和模塊正在不斷涌現。
本文將考慮最近推出的一種此類解決方案，展示ams TMG4903 光學傳感模塊。相關的評估板TMG4903 EVM-ND可幫助設計人員將手勢識別快速高效地整合到他們的下一代產品中，從而使他們能夠更快地將產品投放市場，并且與構建功能相比，材料清單 （BOM） 成本更低從分立器件。
對于希望在更簡單的層面上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。
市場增長
根據市場研究公司 Global Industry Analysts 1的預測，到 2020 年，全球手勢識別市場規模預計將超過 127 億美元。對簡單、直觀的界面的需求推動了需求的增長，以控制手持和可穿戴設備中不斷增加的功能，例如作為智能手機、健康監測器和健身小工具。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人機界面 （HMI） 的探索。進一步的增長將來自于 3D 視覺、眼動追蹤和機器控制等領域的創新發展。
通過數學算法的解釋，手勢識別和傳感使當今的電子設備能夠以更具創造性、自然和直觀的方式進行通信。例如，可穿戴設備中的手勢感應消除了按鈕設計的需要。該技術可用于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、小巧且耗電量極少，以延長電池壽命。最近在準確性、速度和設計簡單性方面的改進提高了質量水平，使可穿戴設備成為更廣泛的醫療應用的日益可行的解決方案。第一代消費者可穿戴設備，如智能手表和健身監視器，因其新穎性而獲得成功，但現在這些設備正受益于更準確、更可靠的傳感器。因此，手勢識別被視為下一代產品差異化因素。
設計挑戰
ams 總部位于歐洲，是開發集成控制電路的智能傳感器（如紅外 LED）的全球領導者。該公司制作了一篇有用且解釋性的技術文章，旨在幫助設計師應對可穿戴設備市場REF2。該文章解釋說，通常情況下，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，可穿戴設備會暴露在環境光（如陽光）下，其中可能包括一些紅外亮度。此外，設備表面的傳感器孔徑可能會被汗水、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分歸因于環境光（在此應用中為背景噪聲）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率喚醒程序，并且最好是不需要操作 IR LED。
有了適當的硬件，下一步就是生成手勢控制應用軟件來解釋紅外光的原始測量值。該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 IR LED 反射的光，然后解釋移動以識別不同的手勢。根據艾邁斯半導體的說法，系統的質量，即其快速且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集成傳感器系統，而不是離散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，并在下一代可穿戴電子設備中提供消費者所需的高性能和可靠性。集成方法的主要性能優勢包括： 更容易建模和控制（可預測）的光串擾；可以更可靠地校準的功率可變性；IR LED、光傳感器和驅動器的優化組合；和更嚴格的模塊物理公差。
模塊與離散
以 ams 的TMG4903為例，這款高度集成的光學傳感模塊包含一個 IR LED 和先進的 LED 驅動器、環境光傳感器和一個彩色二極管陣列。UV/IR 阻擋濾光片和并行 ADC 可同時產生 16 位結果，而 IR 光束圖案發生器帶有 RAM 和專用控制邏輯。其核心是一個手勢和接近引擎，可實現真正的 3D 手勢識別，增強簡單的南北向、東西向 2D 手勢感應。因此，該模塊提供了多種先進的光學傳感功能，包括通用遙控器、條碼仿真和 RGB 顏色傳感，以及接近和 3D 手勢檢測。
為了滿足小尺寸和低功耗的要求，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，電源要求為 1.7 至 2 V，典型功耗為 150 μA（最大 200 μA）在其活動狀態下，空閑時為 30 μA（最大 60 μA），而在睡眠模式下僅為 0.4 μA（5 μA）。
圖 ：ams 的 TMG4903 手勢和接近感應引擎的框圖，顯示了各種功能模塊的集成。
對于 3D 手勢識別和接近感應，該模塊可自動調整 IR LED 的時序和功率輸出，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
首先，TMG4903 EVM 評估模塊包括一個具有手勢識別設備的主控制器板和一個具有行業標準 USB2.0 接口和電纜的 PIC 微控制器。簡單、直觀的軟件允許設計人員設置關鍵特性的記錄和控制功能，例如環境光傳感器、接近傳感器和相關手勢識別。全面的用戶指南引導設計人員完成設置參數的過程，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，原始手勢數據由四個定向光電二極管捕獲，并與從接近傳感器獲取的 Z 數據一起呈現在 3D 網格上。除了檢測和識別移動手勢外，還可以識別“長”手勢，例如模擬按鈕按下。
釋放內心的發明家
對于尋求以低成本引入手勢感應和識別的設計師和愛好者，SparkFun SEN12787 RGB 和手勢傳感器分線板提供了研究環境光和顏色測量、接近檢測和非接觸式手勢感應的必要資源。它基于 Avago APDS9960，一個集成了濾波器和二極管以及 I 2 C 接口的集成模塊。
該設備本身尺寸為 3.94 x 2.36 x 1.35 毫米，并包含一個 IR LED 和工廠校準的 LED 驅動器。手勢和接近檢測基于四個定向光電二極管以及來自環境光傳感器的數據。引擎的操作特性包括自動激活、環境光減法和串擾消除。通過可調節的 IR LED 時序將功耗和噪聲降至最低。推薦的電源電壓范圍為 2.4 至 3.6 V。在 3 V 時，電源電流數值范圍為 1 μA（睡眠狀態）、38 μA（等待狀態）、200 μA（活動）到 790 μA（手勢和接近脈沖） ）。
為方便起見，開發板分出了多個引腳，包括：VL（IR LED 的可選電源）、GND、VCC、SDA（I 2 C 數據）、SCL（I 2 C 時鐘）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。
概括
非接觸式手勢感應和識別是一個不斷增長的市場，解決方案也在快速發展，新設備定期推出。它很可能成為非常小型的電池供電便攜式和可穿戴設備的下一個“必備”HMI 功能，使它們能夠減小尺寸并以更低的功率運行，同時提供簡單的操作。
然而，設計可能具有挑戰性。本文探討了兩種主題解決方案如何為工程師提供領先優勢：ams 的高度集成、高性能模塊和 SparkFun 的低成本入門板。
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