基于ams TMG4903 光学传感模块的手势传感方案

　　手势传感和识别是一个不断增长的市场，受技术进步和扩展应用的推动，尤其是在物联网 （IoT） 运动中。手势识别变得尤为突出的市场包括游戏、医疗保健、自动化、汽车和消费电子领域的便携式和可穿戴设备。

　　随着 BMW 最新推出的 iDrive，非接触式手势控制已进入汽车信息娱乐市场。传感器和控制电路的进步使​​可穿戴设备的设计人员可以使用相同的技术。

　　最简单的手势感应电路可能包括 IR LED、IR 光电二极管、环境光传感器和接近传感器。然而，为了帮助设计人员缩短产品上市时间，集成了多个光学传感器和控制电路的集成度更高的设备、子系统和模块正在不断涌现。

　　本文将考虑最近推出的一种此类解决方案，展示ams TMG4903 光学传感模块。相关的评估板TMG4903 EVM-ND可帮助设计人员将手势识别快速高效地整合到他们的下一代产品中，从而使他们能够更快地将产品投放市场，并且与构建功能相比，材料清单 （BOM） 成本更低从分立器件。

　　对于希望在更简单的层面上探索手势识别的工程师和爱好者，基于 Avago APDS9960 的SparkFun SEN12787手势传感器分线板提供了一个低成本的起点。

　　市场增长

　　根据市场研究公司 Global Industry Analysts 1的预测，到 2020 年，全球手势识别市场规模预计将超过 127 亿美元。对简单、直观的界面的需求推动了需求的增长，以控制手持和可穿戴设备中不断增加的功能，例如作为智能手机、健康监测器和健身小工具。便携式和可穿戴设备的传感器技术的显着改进也推动了对新人机界面 （HMI） 的探索。进一步的增长将来自于 3D 视觉、眼动追踪和机器控制等领域的创新发展。

　　通过数学算法的解释，手势识别和传感使当今的电子设备能够以更具创造性、自然和直观的方式进行通信。例如，可穿戴设备中的手势感应消除了按钮设计的需要。该技术可用于允许人们使用全身运动、手部动作和/或面部表情来表达有意义的命令。

　　可穿戴设备的传感器和控制电路等组件需要坚固、小巧且耗电量极少，以延长电池寿命。最近在准确性、速度和设计简单性方面的改进提高了质量水平，使可穿戴设备成为更广泛的医疗应用的日益可行的解决方案。第一代消费者可穿戴设备，如智能手表和健身监视器，因其新颖性而获得成功，但现在这些设备正受益于更准确、更可靠的传感器。因此，手势识别被视为下一代产品差异化因素。

　　设计挑战

　　ams 总部位于欧洲，是开发集成控制电路的智能传感器（如红外 LED）的全球领导者。该公司制作了一篇有用且解释性的技术文章，旨在帮助设计师应对可穿戴设备市场REF2。该文章解释说，通常情况下，当用户的手经过 LED 时，通过分析反射回光电二极管的 IR 光来识别手势。

　　然而，设计可能具有挑战性。通常，可穿戴设备会暴露在环境光（如阳光）下，其中可能包括一些红外亮度。此外，设备表面的传感器孔径可能会被汗水、灰尘或污垢等污染物遮盖。需要非常灵敏的光电二极管来可靠地区分归因于环境光（在此应用中为背景噪声）的红外光和从 LED 反射的红外光。因此，还需要先进的模拟半导体技术。

　　通常，在操作中，手势识别系统会定期唤醒以扫描手势。为了最大限度地减少电池使用，需要断电和睡眠模式以及低功率唤醒程序，并且最好是不需要操作 IR LED。

　　有了适当的硬件，下一步就是生成手势控制应用软件来解释红外光的原始测量值。该软件需要计算用户手的移动速度和方向，计算手与设备的距离，区分环境光和 IR LED 反射的光，然后解释移动以识别不同的手势。根据艾迈斯半导体的说法，系统的质量，即其快速且可预测地识别手势的能力，在很大程度上取决于应用软件和传感器硬件。

　　可穿戴设备制造商越来越多地寻找现成的集成传感器系统，而不是离散的传感器和处理组件。这种优化的系统可以节省设备制造商的设计时间和精力，并在下一代可穿戴电子设备中提供消费者所需的高性能和可靠性。集成方法的主要性能优势包括： 更容易建模和控制（可预测）的光串扰；可以更可靠地校准的功率可变性；IR LED、光传感器和驱动器的优化组合；和更严格的模块物理公差。

　　模块与离散

　　以 ams 的TMG4903为例，这款高度集成的光学传感模块包含一个 IR LED 和先进的 LED 驱动器、环境光传感器和一个彩色二极管阵列。UV/IR 阻挡滤光片和并行 ADC 可同时产生 16 位结果，而 IR 光束图案发生器带有 RAM 和专用控制逻辑。其核心是一个手势和接近引擎，可实现真正的 3D 手势识别，增强简单的南北向、东西向 2D 手势感应。因此，该模块提供了多种先进的光学传感功能，包括通用遥控器、条码仿真和 RGB 颜色传感，以及接近和 3D 手势检测。

　　为了满足小尺寸和低功耗的要求，该模块包含在一个尺寸仅为 2 x 5 x 1 mm 的多模块封装中，电源要求为 1.7 至 2 V，典型功耗为 150 µA（最大 200 µA）在其活动状态下，空闲时为 30 µA（最大 60 µA），而在睡眠模式下仅为 0.4 µA（5 µA）。

　　图 ：ams 的 TMG4903 手势和接近感应引擎的框图，显示了各种功能模块的集成。

　　对于 3D 手势识别和接近感应，该模块可自动调整 IR LED 的时序和功率输出，从而最大限度地降低噪声和功耗，同时优化灵敏度和动态范围。重要的是，该模块能够抑制环境光噪声，而自动校准可消除电噪声和光学串扰。LED 驱动器的集成确保引擎专用于手势识别，释放主机设备的软件并降低处理要求。

　　入门

　　首先，TMG4903 EVM 评估模块包括一个具有手势识别设备的主控制器板和一个具有行业标准 USB2.0 接口和电缆的 PIC 微控制器。简单、直观的软件允许设计人员设置关键特性的记录和控制功能，例如环境光传感器、接近传感器和相关手势识别。全面的用户指南引导设计人员完成设置参数的过程，例如手势周期中的脉冲长度、周期中的脉冲数和手势周期的频率。

　　在操作中，原始手势数据由四个定向光电二极管捕获，并与从接近传感器获取的 Z 数据一起呈现在 3D 网格上。除了检测和识别移动手势外，还可以识别“长”手势，例如模拟按钮按下。

　　释放内心的发明家

　　对于寻求以低成本引入手势感应和识别的设计师和爱好者，SparkFun SEN12787 RGB 和手势传感器分线板提供了研究环境光和颜色测量、接近检测和非接触式手势感应的必要资源。它基于 Avago APDS9960，一个集成了滤波器和二极管以及 I 2 C 接口的集成模块。

　　该设备本身尺寸为 3.94 x 2.36 x 1.35 毫米，并包含一个 IR LED 和工厂校准的 LED 驱动器。手势和接近检测基于四个定向光电二极管以及来自环境光传感器的数据。引擎的操作特性包括自动激活、环境光减法和串扰消除。通过可调节的 IR LED 时序将功耗和噪声降至最低。推荐的电源电压范围为 2.4 至 3.6 V。在 3 V 时，电源电流数值范围为 1 µA（睡眠状态）、38 µA（等待状态）、200 µA（活动）到 790 µA（手势和接近脉冲） ）。

　　为方便起见，开发板分出了多个引脚，包括：VL（IR LED 的可选电源）、GND、VCC、SDA（I 2 C 数据）、SCL（I 2 C 时钟）和 INT（中断）。该模块可用于演示手势识别，以控制基于微控制器的设备以及计算机或机器人。

　　概括

　　非接触式手势感应和识别是一个不断增长的市场，解决方案也在快速发展，新设备定期推出。它很可能成为非常小型的电池供电便携式和可穿戴设备的下一个“必备”HMI 功能，使它们能够减小尺寸并以更低的功率运行，同时提供简单的操作。

　　然而，设计可能具有挑战性。本文探讨了两种主题解决方案如何为工程师提供领先优势：ams 的高度集成、高性能模块和 SparkFun 的低成本入门板。