基于MGC3x30 GestIC的手势控制解决方案

平板电脑和智能手机帮助我们推广了使用手势控制电子设备的理念。手指捏合已成为缩小屏幕对象的代名词；使用两根及以上的手指滑动屏幕，可从一个图片或应用滑动至另一个图片或应用。我们现在完全熟悉了这些简单的动作。

随着这些手势的日常使用，它们开始延伸到其他技术领域。这对于汽车应用而言很重要，能够在不分散驾驶员注意力的情况下实现控制功能。通常，此类手势界面用作仪表板交互显示屏的辅助部分。但是，手势界面的关键优势是它不需要复杂的视觉显示。设备上的声音消息或灯光配置变化，可用于指示手势已被识别以及状态已经变化。因此，在作为物联网 (IoT) 的一部分提供环境智能的设备中，手势界面将是非常有用的。

无需图形界面的设备手势比智能手机上的手势更加简单，后者通常会对使用手指数量的变化做出响应。这些更简单的界面通常基于整只手的移动。在传感器面板前做向上扫动手势，可指示室内控制系统开灯。水平扫动手势可指示供暖控制系统提高或降低温度。手指快速轻拂，可以前进到另一项功能，或者指示娱乐系统前进到下一个音轨。

手势的含义可以变化，具体取决于传感器面板处于何种模式，或许简单的 LED 报警器图标或语音消息会告诉用户哪一种模式是活动的。通过与室内各个系统建立网络连接，传感器面板可以控制多种功能，这也是物联网基础设施的主要优势之一。传感器面板可以集成到桌子、墙壁控制以及扬声器等电子设备中。多部设备可同时与物联网系统协调，在室内的不同位置提供便利的控制。

有多种方式可以检测手势动作，包括摄像头和接近传感器。但是，在物联网应用中，成本是一大问题。基于摄像头的解决方案需要复杂的软件来处理图像，但实现了很高的灵活性，并具备了识别多种不同手势的能力。

电场传感器则拥有更低的成本且操作更简单。该传感器使用由交流电驱动的电极，在物体表面上方形成电场。可以选择频率将电磁的磁场分量降至最低，并形成准静态近场，当传导性物体（例如手）移动到范围内，会对该电场产生干扰。

图 1：标准和升压传感器类型的识别范围。

当用户的手进入感测范围内时，传入的电场线将通过用户的身体分流到大地，使整个电场发生失真。这种效应将靠近手的电极信号电平降低到较低的水平，而传感器阵列可以检测到这一变化。手四处移动时，阵列的不同部分拾取这种运动，并将电势变化告知控制器 IC，例如 Microchip Technology 的 MGC3x30 GestIC。

图 2：GestIC MGC3030 框图。

GestIC 为最多五个接收电极和一个信号发射器提供了接口。接收和发射电极可采用任何导电材料制成，例如织物状铜网或氧化铟锡 (ITO)。电极之间的隔离可以是任何不导电材料，包括阻燃纤维玻璃环氧树脂 (FR4 PCB)、玻璃或塑料。电极顶部的可选覆盖层也必须是不导电的。发射电极放置在接收电子元件阵列下方。

该设计提供标准和升压传感器两种选择。标准传感器适合通常采用电池供电的小型设备，这些设备与地面有弱连接。升压传感器类型使用更高的发射电压，适合具有接地连接的大型设备，包括需要较大识别范围的设备。使用标准传感器配置，接地连接可提供通常高达 100 mm 的更大识别范围，而电池供电的未接地设备的识别范围仅为 50 mm。传感器形状大约为方形或圆形，宽高比不超过 1:3。

GestIC 硬件识别人手的电中心点，当该点在传感器范围内移动时，还可跟踪该点。用户手的 XY 位置被最多四个传感器电极拾取。第五个连接可用作按钮或中心电极，以识别简单的“按钮触摸”手势。

为了简化在系统中的集成，GestIC 器件包含自身的手势处理固件，存储在内部闪存中。该固件包括基于隐马尔可夫模型的 Colibri Suite 数字信号处理 (DSP) 算法，可执行各种功能，例如接近检测、位置跟踪和手势识别。它们还能够使用基于消息的接口，将状态更新发送至微控制器 (MCU)，另外还提供了处理固件更新的功能。

MCU 和 MGC3X30 之间的通信是使用 I2C 兼容双线串行接口实现的。这使 MCU 能够读取传感器数据，并将控制消息发送至芯片。它提供一个地址引脚，用于在同一总线上的最多两个 MGC3X30 器件之间进行选择。GestIC 固件会更新传感器读数，默认速率为 5 ms，每次会更新串行端口消息缓冲区，并将传输状态 (TS) 线拉低，指示有可用的新读数。

主机可以设置多个运行时参数，包括 GestIC 器件将要检测的手势类型。Set_Runtime_Parameter 的 0xA2 命令使用位掩码，筛选出不需要的手势类型。禁用某些手势有助于提高其他手势的识别概率，从而改进简单控制接口的可用性。GestIC 能够识别的手势包括沿直角坐标轴方向的轻拂，以及顺时针和逆时针方向的画圈。

图 3：GestIC 解决方案识别的手势类型及其潜在用途

GestIC 固件还提供手在传感器电场范围内移动时的位置更新，并与手势更新一起输出。其他信息包括第五个电极辅助识别的触控事件，以及 AirWheel 数据。AirWheel 的工作方式与老式便携式音乐播放器上的滚轮非常相似，但要在设备表面上方执行手势。

为了让工程师能够更简单地为主机 MCU 开发软件，Microchip 开发了基于 C 语言的 API，还有参考代码提供支持。该 API 处理各种功能，包括控制消息缓冲区、将消息位掩码解码为 C 结构、执行事件处理。这些功能可让主机 MCU 摆脱低级别协议及其时间约束。为了支持设计，还要在基于 Windows 的 PC 上运行第二个软件包 Aurea。该软件可解析由 GestIC 发送的消息，并视觉呈现手势和位置数据。使用 Aurea，开发人员可以优化感测参数和布局，以便对目标应用提供最佳支持。配套开发套件提供了 I2C USB 桥，以便为传感器和软件开发提供原型支持。

结论

凭借低成本基于电场感测的硬件与软件工具和固件的支持架构的组合，MGC3x30 GestIC 提供了一种有效的解决方案，为众多支持物联网的设备带来了直观的界面。