手勢識別電路設計:用MGC3030手勢控制器就對了

2019年07月23日 作者:Teardown

觸摸屏控件已在業內廣泛采用,作為一種便捷、穩健的介質,用戶可以通過它與設計用于自動化流程和開展人類無法開展的工作的復雜設備交互。但是,觸摸屏并不適用于食品行業或保健等優先考慮衛生狀況的情形,或者需要戴手套進行防護的情形。

當工人必須與食品生產設備交互時,觸摸屏幕表面會傳播污染。類似地,在設置透析機等醫療設備時,用戶在每次使用觸摸屏后可能需要更換手套。在必須佩帶厚防護手套的工業場景中,傳統電容式觸摸屏可能無法正確響應,或者可能有觸摸錯誤按鈕的風險。如果必須取下手套才能使用設備,這樣會影響安全和生產力。

手部跟蹤和接近檢測等三維 (3D) 手勢識別功能可以解釋指令,而無需用戶觸摸傳感器表面。通過手部和手指在自由空間的自然移動來控制設備的這一功能,有助于設備設計師克服傳統電容式觸摸屏的不足。

利用模型分析或飛行時間測量等技術實現的光學手勢識別功能,可幫助游戲控制器檢測整個身體的移動,并可用于近距離范圍的 3D 手勢識別,以作為觸摸屏替代品。但是,如果在控制面板中實施光學手勢識別,光源和檢測器可能需要孔洞或開口。而且,可能需要多個光源和/或接收器,這會增加成本和復雜度。

電氣近場(電場)感測是一種利用前面板嵌入式電極或顯示屏集成電極的備選方式。可以檢測各種手勢,例如接近手部、滑動或邊緣輕彈可用于控制移動或選擇下一個/上一個選項,以及圓形手勢可用作控制順時針/逆時針旋轉的指令。

簡化電場感測

Microchip MGC3030 手勢控制器是一個電場感測片上系統 (SoC),帶有 3D 手勢識別和手部位置追蹤板載處理功能。它采用 Microchip 的 GestIC? 技術,采用約 100 kHz 的交流電壓為電極上電,以設置準靜電近場,當用戶手部或手指進入感測區域時電場將扭曲。等電位線的最終壓縮(圖 1)可降低傳感器陣列的信號電平。GestIC 算法分析這些轉變,以檢測接近行為并解釋手勢,并使用統計建模區分刻意手勢和一般手部移動。

MGC3030 在 32 位 DSP 內核上運行 GestIC 算法,并使用模擬濾波和跳頻來最小化干擾。算法需要的集中處理比光學手勢識別少,并且結合 MGC3030 的電源管理模式,包括接近時自動喚醒,實現了高性價比的低功耗解決方案,甚至在電池供電設備中也允許隨時感測。

除了典型手勢外,GestIC 套件允許觸摸檢測,包括點擊或雙擊。也支持“airwheel”圓形手勢,其調節水平分辨率高達毎圈 32 次計數,而 x-y-z 位置追蹤允許自定義手勢或輸入感測。

傳感器設計指南

發射器和接收器電極的設計和布局通常會影響手勢識別范圍、精度和可重復性。MGC3030 為最多五個接收電極和一個發射電極提供了引腳。電極可采用任何導電材料制成,例如織物狀實心銅網、金屬網或氧化銦錫 (ITO)。發射和接收電極由非導電隔離層分隔,可由 PCB 基底、玻璃、聚碳酸酯或類似材料制成。還可添加非導電覆蓋層。

IC 的發射器輸出信號幅度為 2.85 V,適合于尺寸不超過約 140 mm x 140 mm 的傳感器。對于尺寸不超過約 200 mm x 200 mm 的更大傳感器,可以使用電平位移器提高輸出,工作電壓為系統電源軌或專用升壓轉換器提供的 5 V 到 18 V。

關于電極一般布局,傳感器外形通常為方形或圓形,但比例不超過 1:3 的矩形或橢圓形也是可以接受的。如果識別范圍需要對稱,那么外形也應呈 X 和 Y 軸對稱。

如圖 2 所示,接收電極布置在傳感器周圍,最好應為相等或類似長度。通常,電極寬度應為長度的 5 - 7%。增加寬度會增加靠近手的電容,雖然手勢識別范圍減小,但這對于弱接地系統而言是一個優勢,如電池供電設備。

使用四個電極識別手勢,如圖 2 所示。可以使用 MGC3030 的第五個電極輸入來實現中間觸摸區域,而外擋圈電極則用于靠近或接近檢測,或者用于手勢感測區域外的一個額外觸摸按鈕。

發射電極可產生電場,位于傳感器堆棧中接收電極下方,如圖 3 所示。這種布置可為接收電極和電氣連接屏蔽傳感器后部的潛在干擾信號。要達到最佳屏蔽,發射電極外形應與接收電極重疊。

要最小化外部噪音的影響,發射電極應覆蓋傳感器的完整區域。這很重要,例如,如果要在 TFT 顯示屏中添加手勢檢測。設計師可能嘗試將傳感器布置成圍繞顯示屏的環形,通過布置透明電極,可以確保更好的性能,如顯示屏上的薄層 ITO。

MGC3030 手勢控制器應盡可能靠近電極,盡管這會遠離用戶最可能靠近的方向。合適的解決方案是在傳感器 PCB 背側安裝 IC。這可能位于傳感器區域內,或者靠近外側邊緣,如圖 4 所示。

連接接收電極和 IC 輸入引腳的導線對用戶手部和環境擾動很敏感,因此應當盡可能短,并遠離外部干擾源。此外,要確保穩定一致的操作,最好選擇連接柔性連接的機械固定導線,如 PCB 印制線和/或板對板連接器,例如在操作傳感器時可能移動的電纜。

堆棧頂部的接收電極與下方的發射電極之間存在著隔離層,而隔離層的介電屬性也會影響傳感器性能。如果使用 PCB 進行隔離,標準 FR4 (εr = 5) 的相對磁導率意味著厚度至少達到 1.0 mm。增加厚度至 1.5 mm - 2.0 mm 將顯著提高性能。玻璃絕緣體 (εr = 6) 厚度至少為 1.2 mm,而塑料(典型 εr 約為 3.0)可以薄至 0.6 mm。

除了電極層和隔離層,電池供電系統還需要接地層。在接地系統中,可選擇額外添加一個接地層,以提高穩定性并最小化傳感器后部干擾敏感度。

如果使用接地層,應當作為第三層在發射電極下實施。這種情況下,發射電極和地之間的最大允許電容受到 IC 的發射輸出能力的限制,并且必須不超過 1 nF。如有必要,可以采用各種技術來降低電容,包括更換為更低磁導率材料的隔離器,增加發射電極和地之間的間隔距離,使用網狀電極而非實心電極,或者在 IC 輸出和發射電極之間插入外部電壓跟隨器作為驅動器。

詳細設計協助

盡管 GestIC 技術有助于快速輕松地實施手勢識別,正確的傳感器設計對工作范圍和傳感器穩定性有著關鍵影響。表 1 說明了由于傳感器設計不良導致的常見問題,以及可能的原因和解決方案。

有關更多信息,請參考 Microchip GestIC 設計指導,其中提供了關于電極設計、材料選擇、電路板布局、管理系統電容、以及升壓和驅動電路的綜合建議。

結論

作為觸摸用戶界面的替代方式,電場傳感提供了實施 3D 手勢識別的方便方式。Microchip 的 GestIC 技術可簡化實施,并且能識別各種適合控制工業和醫學設備的手勢。如有需要,可以實施其他觸摸式傳感器。花時間了解基本傳感器設計指引會有助于優化性能和可靠性,縮短上市時間。

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