設計汽車和工業應用的低成本手勢感測系統

人機介面 (HMI) 在絕大多數工業和汽車應用中都是關鍵元件。有鑑於互動越來越複雜，傳統的開關設計已不適合諸多環境：有違直覺且會讓操作人員從其他任務分心，例如控制機器或駕駛車輛等作業。

目前有許多以手勢為主的控制方式可供選擇，設計人員會在效能和準確度，以及成本和簡便性之間的平衡上面臨難題，甚至還有功耗要考量。

本文將針對以紅外線感測技術為基礎的手勢控制系統，探討其所需的元件。然後介紹低成本感測器評估板及其相關軟體，藉此協助快速開發並縮短上市時間。

非接觸式感測應用

非接觸式感測的首款日常應用是用來偵測物體的趨近程度，並且觸發相關反應。自動門、給皂機、走廊燈以及乾手機，皆採用非接觸式感測器作為輸入元件。

這些系統的接近感測器可當作開關，提供數位開／關輸出，而手勢感測則可讓使用者運用三維度運動以直覺方式來控制系統。

手勢控制亦可讓使用者在廣大的作用區域內進行變更，因此能以大動作取代細微動作。此能力是電玩系統的主要特點之一，運用手勢感測技術偵測與移動相關的複雜運動，或追蹤多名玩家。

紅外線手勢感測 | DigiKey

電玩系統運用雷射和專屬相機來感測使用者的活動，但對汽車等許多應用而言，這些技術太複雜且昂貴。以切換電台頻道為例，就只需要單純將手向左或向右揮動即可 (圖 1)。同樣地，調整音量只要向上或向下滑動，或是前後推動就可完成。

圖 1：手勢感測系統採用直覺動作來簡化機器控制。(圖片來源：BBC/BMW)

紅外線 (IR) 感測技術能以低成本偵測多種簡易手勢，因此非常適合多種工業、消費性和汽車應用 (圖 2)。硬體含有兩個 IR 發光二極體 (IRED)，位於板件上且相隔指定的距離，兩者中間還具有一個偵測器。

圖 2：簡易的 IR 手勢感測系統採用兩個 IR 二極體，且在兩者中間具有一個感測元件。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

每個 IR 發光體的發光模式具有高度指向性。當手部經過發光體時，偵測感測器所量測到的反射光會顯示出對應的尖波。操作人員將手由左向右揮動時，左側 (黑色) 發光體的訊號會增加，而右側發光體 (綠色) 前方的訊號則減少，由右至左揮動時則相反。

感測器會將數據傳送到微控制器，其中含有軟體，可分析訊號強度隨時間的差異，藉此判斷是否有揮動手勢，若有，也會判斷揮動方向。

手勢感測設計範例

典型的手勢感測應用電路會在基本系統中添加第三個 IR 發光體，因此能偵測向上／向下，以及向左／向右的手勢（圖 3）。

圖 3：採用三個發光體的手勢感測設計能偵測向左／向右，以及向上／向下的手勢。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

此系統的核心是 Vishay Semiconductor 的 VCNL4035X01 IR 和環境光感測器，能以單一 2.5 至 3.6 V 電壓進行操作。此應用專屬積體電路 (ASIC) 含有三個外部 IR 發光體的驅動器、一個接收反射輸出的內部光電二極體，以及處理光電二極體訊號的電路。具有業界標準 I²C 序列介面，能與外部微控制器進行通訊，以分析資料對手勢進行解碼。

圖 4：VCNL4035可驅動高達三個外部 IR 發光體，且含有一個內部環境光感測器。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

為了省電並降低處理負擔，VCNL4035 具有可編程的中斷引腳，可在手勢事件或環境光變化時喚醒微控制器，因此無需持續輪詢。

VCNL4035X01 採用 4.0 x 2.36 mm 的小型無引線封裝 (LLP)，高度為 0.75 mm，因此能裝入空間受限的智慧型手機、數位相機、平板電腦以及類似應用中。

圖 5：VCNL4035 IR 光電二極體 (a) 和環境光感測器 (b) 中的感測器正規化頻譜響應。亦顯示人體肉眼反應以利比較。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

為了判斷移動方向，軟體必須能分辨 IRED 輸出之間的差異，以便進行比較。在手勢感測模式中，VCNL4035 會依序快速驅動 IRED，然後標記微控制器以讀取其內部暫存器中的三個 16 位元光電二極體輸出。電流驅動強度、驅動時間，以及量測順序組合間的時間皆可由使用者選擇。

環境光感測器 (ALS) 會接收可見光並轉換成 16 位元 ADC 值。VCNL4035 的 ALS 峰值靈敏度為 540 nm，頻寬介於 430 nm 至 610 nm，非常接近人體肉眼。

IRED 需求

IRED 的輸出必須匹配 VCNL4035 的光電二極體靈敏度反應，以確保最佳效能。Vishay Semiconductor 的 VSMY2940RG 系列發光體峰值波長 (λ_P) 為 940 nm，非常適合此用途。這些元件採用砷鋁化鎵 (GaAlAs) 表面發光體晶片技術為基礎。在脈衝操作 (t_p = 100 μS)、1 A 順向電流下，典型輻射強度為每球面度 880 毫瓦 (mW/sr)。

此外，這些元件會以高指向模式散發輻射，特別是在 ±10° 光束角內 (圖 6)。

圖 6：Vishay 的 VSMY2940RG IR 發光體具有非常受限的相對輻射強度對角位移曲線比，因此非常適合用於手勢感測應用。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

手勢感測設計的考量

手勢感測系統的設計人員必須進行諸多權衡後，才能決定最佳設計。其中一項就是偵測範圍對電流消耗。另一向則是 IRED 的置放。

增加可偵測手勢的距離，意味著必須提高 IRED 的輸出功率，這也是順向電流的功能之一。也因此功耗會增加，這對電池供電式裝置來說是不樂見的情況。功率越高也會增加需要耗散的熱能，進而增加設計的尺寸。

在上述設計中，IRED 的 200 mA 驅動電流會達到 200 mW/sr 的典型輻射強度，能讓手部手勢的偵測距離，從感測器板算起長達 40 公分。

IRED 的位置、外部 IRED 的數量及其位置，必須依據應用的專屬需求進行決定。在簡易的接近應用中，或是單純只是要偵測小幅度手勢，如手指移動等，IRED 和感測器之間的距離可能只有幾毫米。

感測器和 IRED 之間間隔越遠，可在判斷遠距手部揮動方向時提供優勢。透過實證測試，可達到最佳距離。

手勢偵測軟體

有好幾種方法可透過 VCNL4035 的輸出來判斷手勢。有個簡單的方法是設定物件偵測的最小閾值。超過閾值的正緣代表手部抵達 IRED 上方，負緣則代表手部離開 IRED 的偵測區。

透過兩個 IRED，事件順序可指出是向左或向右揮動。此方法能隔離分析每次量測循環的結果，且僅需要少許處理器資源。

有個較耗費運算能力的方法，可用來分析多組 (訊框) 量測結果的資料。此演算法會計算各個訊框的兩個數量：各訊號與其各自取樣組的標準差，以及左右訊號之間的時間延遲。將結果與使用者指定的閾值比較，此演算法能判別發生何種手勢。

標準差可用來測量分析之訊框內的數據分布範圍。以下列公式進行計算：

X̄ 是電流訊框的平均值，n 則是分析的樣本數。

高標準差意味著訊號改變程度大，代表手部穿越或朝向感測器移動。

另一方面，低標準差則意味著訊號僅有小幅度甚至沒有改變，也就是說，感測器的偵測區域內沒有手的存在，要不就是手部沒有移動。若訊號之間的時間延遲相當明顯，則表示出現揮動手勢。此計算方法亦可利用交叉相關演算法 (計算兩個訊號之間的重疊) 估算延遲。

使用感測器入門套件快速開始設計

Vishay 的 VCNL4020 感測器入門套件提供簡易的方法開始進行 IR 手勢感測的設計。此套件含有 USB 硬體鎖、插入式 VCNL4020 手勢展示板，以及一片小型光碟，其中含有 USB 驅動程式與軟體。

VCNL4020 本身就是整合式接近和環境光感測器，內建一個 IR 發光體。在展示板上，VCNL4020 亦可驅動一個外部 IRED，在必要時提供更大的空間間隔。

圖 7：Vishay 的VCNL4020 感測器入門套件提供開始進行手勢感測開發作業所需的軟硬體。Vishay 以此為出發點並可連結眾多擴充板，以運用不同的 Visahy 感測器。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

USB 硬體鎖能在展示板和主機 PC 之間達到 I²C 對 USB 通訊。其中含有 Cypress Semiconductor 的 CY768013A，此 ASIC 結合增強的 8051 微控制器以及整合式單晶片 USB 2.0 收發器。此外也含有 3.3 V 穩壓器，以及 Microchip Technology 的 MCP3421，此 18 位元單輸入三角積分類比數位轉換器 (ADC)，可提供額外的類比輸入。

此 USB 硬體鎖可當作連接其他 VCNL 感測器展示板的基礎，且這些展示板皆可從 Vishay 免費取得，包括 VCNL4035 展示板。此板件的直覺性特別高，因為其中含有 LED 陣列可指出手勢的方向。

VCNL4035 隨附光碟中的開發軟體可實作前述的標準差和交叉相關偵測演算法。

此軟體能讓使用者變更資料擷取和偵測演算法的主要參數。許多參數皆可調整，藉此微調系統效能，包括：

• 數據量測率
• 量測取樣時間
• 上／下偵測閾值
• 左／右偵測閾值
• 閾值坡度
• 標準差閾值

圖 8：手勢感測畫面運用 LabVIEW GUI 讓 VCNL4035 顯示由左至右動作的結果。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

入門套件含有圖形使用者介面 (GUI)，可在 National Instruments 常用的 LabVIEW 編程平台執行。在此顯示由左至右移動的手勢感測畫面 (同圖 8)。左側 (紅色) IRED 先指出，接著是中間 (綠色)，然後左側 (藍色)。

若是剛接觸 LabVIEW 環境的開發人員，Digilent 的 LabVIEW Home 套裝能讓開發人員以最低成本入門使用。

結論

紅外線手勢感測系統能克服 HMI 的眾多難題。結合了低成本硬體和精細軟體，可偵測工業、汽車和消費性應用中的許多手部動作。

Vishay 提供多種光電子元件和入門套件，協助開發人員快速開始進行 HMI 手勢感測設計。加入 LabVIEW GUI 亦可簡化開發作業，且更有效地管理設計中所涉及的各項權衡項目。