ams TMG4903光学传感模块构建手势识别技术

在技术进步和不断扩展的应用程序的推动下，手势感知和识别是一个不断增长的市场，特别是在物联网（IoT）运动中。手势识别变得特别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。

图1：无触摸手势控制已经进入汽车信息娱乐市场，最新的iDrive由宝马推出。传感器和控制电路的进步使得可穿戴设备的设计者可以使用相同的技术。

在最简单的形式中，手势感测电路可能包括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，出现了更高度集成的设备，子系统和模块，其中包含多个光学传感器和控制电路。

本文将考虑一个最近推出的解决方案，展示ams TMG4903光学传感模块。相关评估板TMG4903 EVM-ND可帮助设计人员快速有效地将手势识别功能整合到下一代产品中，从而使他们能够更快地将产品推向市场，并且与构建功能相比，物料清单（BOM）成本更低对于希望以更简单的方式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。

来自分立设备。

市场增长

市场研究公司全球行业分析师 1 表示，到2020年全球手势识别市场预计将超过127亿美元。需求受到推动需要简单，直观的界面来控制手持和可穿戴设备中不断增加的功能，例如智能手机，健康监视器和健身设备。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的人机界面（HMI）的追求。进一步增长将来自3D视觉，眼动追踪和机器控制等领域的创新性新发展。

通过数学算法解释，手势识别和感应使更多创意，自然和直观的方法与电子设备进行通信今天。例如，可穿戴设备中的手势感测消除了在按钮中设计的需要。该技术可以被利用，以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，小巧且使用非常好功率小，以节省电池寿命。最近在设计的准确性，速度和简单性方面的改进提高了质量水平，使得可穿戴设备成为更广泛的医疗应用的越来越可行的解决方案。第一代消费类可穿戴设备，如智能手表和健身显示器，因其新颖价值而获得成功，但现在这些设备已从更准确可靠的传感器中受益。因此，手势识别被视为下一代产品差异化因素。

设计挑战

总部位于欧洲的ams是智能传感器（如红外LED）与集成控制电路相结合的全球领导者。该公司已经制作了一份有用且具有说明性的技术文章，旨在帮助设计人员解决可穿戴设备市场 REF2 。该文章解释说，通常，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，可穿戴设备将暴露于环境光（例如阳光），其可能包括一些IR亮度。此外，设备表面上的传感器孔可能会被汗水，灰尘或污垢等污染物遮挡。需要非常灵敏的光电二极管来可靠地区分可归因于环境光的IR光（在本申请中是背景噪声）和从LED反射的IR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耗唤醒程序，并且最佳，无需操作IR LED。

使用适当的硬件，下一步是生成手势控制应用软件以解释IR光的原始测量值。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，区分环境光和从IR LED反射的光，然后解释移动以识别不同的手势。根据AMS的说法，系统的质量，即能够快速，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传感器系统，而不是分立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，以及提供消费者在下一代可穿戴电子设备中所要求的高性能和可靠性。集成方法的关键性能优势包括：光学串扰，更容易建模和控制（可预测）;功率可变性，可以更可靠地校准; IR LED，光传感器和驱动器的优化组合;模块的物理容差更小。

模块与离散

以ams的TMG4903为例，这款高度集成的光学传感模块采用红外LED和先进的LED驱动器，环境光传感器和彩色二极管阵列。 UV/IR阻塞滤波器和并行ADC同时产生16位结果，而IR光束模式发生器则带有RAM和专用控制逻辑。其核心是手势和接近引擎，可实现真正的3D手势识别，增强简单的南北，西南2D手势感应。因此，该模块提供多种先进的光学传感功能，包括通用遥控器，条形码仿真和RGB颜色传感，以及接近和3D手势检测。

满足小尺寸和低功耗的需求，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，电源电压要求为1.7至2 V，在其工作状态下通常消耗150μA（最大值200μA），30μA（60μA）最大）空闲时，睡眠模式下仅为0.4μA（5μA）。

图2：来自ams的TMG4903手势和接近感应引擎的方框图，显示了各种功能模块的集成。

对于3D手势识别和接近感应，该模块具有自动调整功能。 IR LED的定时和功率输出，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

要开始使用， TMG4903 EVM评估模块由一个主控制器板组成，该控制器板具有手势识别设备和PIC微控制器，具有行业标准USB2.0接口和电缆。简单直观的软件允许设计人员设置关键功能的记录和控制功能，如环境光传感器，接近传感器和联合手势识别。全面的用户指南可指导设计人员完成设置参数，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，捕获原始手势数据通过四个定向光电二极管并在3D网格上与从接近传感器获取的Z数据一起呈现。除了检测和识别移动手势之外，还可以识别“长”手势，例如模拟按钮按压。

图3：用于TMB4903手势和接近引擎的ams评估模块。

释放内部发明者

对于寻求低成本手势感应和识别介绍的设计师和爱好者，SparkFun SEN12787 RGB和手势传感器分线板提供了研究环境光和色彩测量，接近检测和非接触式手势感应的必要条件。它基于Avago APDS9960，这是一个集成滤波器和二极管以及I 2 C接口的集成模块。

该器件本身尺寸为3.94 x 2.36 x 1.35 mm并采用红外LED和工厂校准的LED驱动器。手势和接近检测基于四个方向光电二极管，以及来自环境光传感器的数据。发动机的操作特征包括自动激活，环境光减法和串音消除。通过可调节的IR LED定时，最大限度地降低功耗和噪音。建议的电源电压范围为2.4至3.6 V.在3 V时，电源电流数值范围为1μA（睡眠状态），38μA（等待状态），200μA（有效）至790μA（手势和接近脉冲） ）。

为方便起见，开发板已经打破了许多引脚，包括：VL（IR LED的可选电源），GND，VCC，SDA（I 2 C数据），SCL（I < sup> 2 C clock）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。