Датчики жестов HALIOS от Elmos: легким движением руки…

27 августа 2015

Elmosстатья

Немецкая компания Elmos, один из крупнейших мировых производителей микросхем, использующих MEMS-технологию, представила серию недорогих контроллеров движения и приближения HALIOS, позволяющую реализовать управление приборами и устройствами с помощью жестов. Помимо бытового применения (бесконтактное включение и регулировка освещения и бытовых электронных и электроприборов), контроллеры найдут применение в автомобильной технике, в стерильных помещениях медицинских учреждений, а также в научных и исследовательских лабораториях и на производствах с особыми требованиями к чистоте.

С началом повсеместной электрификации и автоматизации всегда присутствовал вопрос комфортного управления устройствами. Особо остро стоит эта проблема при необходимости включения или управления устройствами в условиях недостаточной видимости. В случае управления освещением можно использовать датчик присутствия. Но такой подход позволяет реализовать только два состояния – включено или выключено, а для освещения с регулировкой яркости или зонального освещения он непригоден. Указанные факторы приводят к повсеместному использованию контактных устройств управления. Большинство подобных устройств являются механическими, что значительно снижает их надежность и долговечность. Логично было бы разработать такую систему, которая была бы лишена механических составляющих и не требовала вообще тактильного контакта, что позволит управлять устройствами только с помощью жестов. Тогда, например, проснувшись рано, можно было бы еще в постели одним жестом включить слабое освещение для привыкания глаз, а другим, позднее – уже полное. К такому решению подводит длинный путь эволюции элементов управления: от громоздких тумблеров и переключателей – к механическим кнопкам. Последним, но не заключительным элементом являются сенсорные панели, которые в тандеме с жидкокристаллическими экранами стали универсальной составляющей систем управления.

Жесты – следующий логичный шаг в развитии элементов управления. На рынке уже доступны первые образцы распознавантелей жестов, например, контроллеры Microsoft Kinect и Leap Motion. Но их разработка велась целенаправленно для управления компьютером и видеоигр, поэтому их возможности явно избыточны для бытовых применений, а стоимость слишком велика. Компания Elmos (Германия), которая является лидером на рынке МЭМС-микросхем для обработки смешанных сигналов, производящим более 200 миллионов изделий в год, разработала ряд контроллеров движения и приближения HALIOS, которые, не обладая избыточностью, могут в полной мере охватить задачи управления бытовой электроникой с помощью жестов. Аббревиатура HALIOS расшифровывается как High Ambient Light Independent Optical System – «оптическая система, работающая независимо от уровня внешнего освещения». Контроллеры движения построены с использованием недорогих инфракрасных датчиков приближения на светодиодах. Серия HALIOS включает контроллеры для различных применений, а также трансимпедансный усилитель для увеличения дальности действия датчиков [1].

Состав серии датчиков HALIOS, назначение, характеристики

Серия датчиков HALIOS включает в себя четыре изделия: контролер управления освещением E527.16, датчик движения E909.06, трансимпедансный усилитель высокой чувствительности E909.07 и комбинированный сенсор с ультранизким энергопотреблением E909.11. Сводные технические данные и краткое описание задач применения даны в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики сенсоров HALIOS®

Код или серия Обнаружение Чувствительность, дБОм Ширина полосы, кГц Напряжение питания, В Iq, мкА Корпус Комментарий
E527.16 HALIOS® переключатель жестов Приближение, порядка 25 см, одномерное 2,25…2,75; 3,3 (для периферии) 3500
(типовое)
QFN32L5 Передовые функции, готовые к использованию; реализовано распознавание жестов; ШИМ-выход для инновационного управления системами освещения с помощью жестов
E909.06 HALIOS® мультизадачный сенсор для автомобилей Приближение, одно-, двух- или трехмерное устройство ввода, касание 2,25…2,75; 3,3 (GPIO) 2500
(типовое), <50
(режим остановки)
QFN32L5 Оптический/емкостной датчик для контроля жестов и обнаружения объектов; 5 светодиодных драйверов, 8xGPIO; контроллер с разрядностью 16 бит и встроенной памятью 60 кбайт; интерфейсы SPI и I2C, LIN UART; внутренняя температурная компенсация; реализация стандартной прошивки
E909.07 Трансимпедансный усилитель с высокой чувствительностью 172 500 3…3,5 3000
(типовое), <1 (спящий режим)
QFN20L4; Bare-Die Увеличенная дальность обнаружения HALIOS® МС E909.06; ограничение выхода усилителя; высокое сопротивление выходного каскада
E909.11 HALIOS® ультра-низкого энергопотребления Приближение, одно-, двух- или трехмерное устройство ввода, измерение уровня освещения 2,2…3,6 10
(типовое); 4,5
(в режиме ожидания); 0,4
(спящий режим)
QFN20L4; Bare-Die МС для систем управления жестами, измерения дальности и освещенности; адаптивное управление режимами сохранения энергии; автоматическая калибровка; интерфейс I2C

Микросхема Halios E527.16 предназначена для управления освещением. Ее отличительная особенность – отдельные выходы сигналов о событиях и ШИМ-управление источником освещения (рисунки 1, 2, 3), в то время как остальные контроллеры HALIOS рассчитаны на работу совместно с центральным контроллером устройства.

Рис. 1. Схема включения микросхемы HALIOS E527.16

Рис. 1. Схема включения микросхемы HALIOS E527.16

Рис. 2. Функциональная диаграмма микросхемы HALIOS E527.16

Рис. 2. Функциональная диаграмма микросхемы HALIOS E527.16

Рис. 3. Расположение выводов микросхемы HALIOS E527.16

Рис. 3. Расположение выводов микросхемы HALIOS E527.16

Контроллер E527.16 способен распознавать появление объекта (например, руки) в зоне действия датчика, приближение и удаление объекта, его задержку в зоне действия на определенное время и быстрые «нажатия» на виртуальную кнопку. Этого вполне достаточно для управления освещением: появление руки в зоне действия датчика означает активацию системы управления и включение света на малую яркость, приближение/удаление руки – регулировка яркости, «нажатие» – включение и выключение света. Контроллер не требует наладки и программирования и готов к работе в любой схеме с ШИМ-регулировкой яркости. Расширенный диапазон температур позволяет применять его не только в помещениях, но и на улице, в автомобилях и промышленной аппаратуре [1, 2].

В контроллере реализованы следующие функции:

  • Выключение: после включения устройство отключает выходные каналы.
  • Включение: лампа будет светить с установленным уровнем яркости.
  • Датчик приближения: лампа светит с яркостью от 0% до 100%. Размер шага составляет 0,4%.
  • Поиск света: лампа светит с минимальной яркостью рабочего цикла ШИМ.
  • Подтверждение: Короткая индикация изменения статуса. Если выход ACK_DIS не установлен в высокий уровень – индикация показана путем изменения яркости. Если яркость <50% – яркость увеличится, если >50% – уменьшиться.

В общих чертах концепция управления контролером строится на использовании трех основных процедур: поиск света, включение/выключение, приближение и подтверждение.

Поиск света. Если лампа находится в выключенном состоянии, и объект входит в диапазон обнаружения датчика – лампа начинает светить с минимальной яркостью рабочего цикла ШИМ. Как только объект выходит из зоны обнаружения, или он остается там дольше 3 секунд – лампа выключается. Это указывает клиенту на состояние готовности и помогает получить представление о зоне обнаружения. Подключив вход SEARCH_DIS к VDDIO, можно отключить ШИМ-регулировку яркости свечения лампы.

Включение и выключение. Управляющий жест действует как переключатель включения/выключения. Если лампа включена – жест ее выключит, и наоборот. Между двумя переключениями зона обнаружения должен быть освобождена.

Приближение и подтверждение. Если выбран данный тип управления, пользователь может установить любой уровень яркости свечения лампы. За время выбора управляющим жестом можно настроить уровень и получить подтверждение путем изменения яркости свечения. Установленный уровень яркости будет сохраняться до выключения лампы или до следующей процедуры регулирования яркости. Перед началом новой процедуры регулировки яркости зона обнаружения должна быть освобождена. Подтверждение путем изменения уровня яркости может быть отключено при подключении выхода ACK_DIS к VDDIO, но все еще индицироваться на контакте ACK

Микросхема HALIOS E909.06 с оптическим входом (рисунок 4), основана на технологии оптического детектирования в отраженном свете, которая обеспечивает бесконтактное обнаружение движения. Система обнаруживает оптические отражения объекта перед датчиком, используя функциональный принцип под названием HALIOS® (оптическая система, работающая независимо от внешнего освещения), который очень эффективен в подавлении окружающего света, а также имеет возможность самостоятельной калибровки, чтобы устранить нарушения, вызванные отражениями в помещении и царапин [3].

Рис. 4. Устройство микросхемы HALIOS E909.06

Рис. 4. Устройство микросхемы HALIOS E909.06

Приемник оптических сигналов Halios E909.07 состоит из каскада преобразования – усилителя (TIA) с дифференциальным входом, ограничивающего усилителя с интегрированным фильтром верхних частот, дифференциальных выходов OUTP_LA / OUTN_LA и вторичного линейного выхода OUT (рисунок 5). Высокая чувствительность устройства обеспечивается трансимпедансным сопротивлением порядка 422 MОм. Уровень окружающего освещения эквивалентен постоянному току 10 мА и подавляется интегрированным гиратором. Совместное использование чипа с датчиками HALIOS® E909.05 / E909.06 позволяет увеличить дальность обнаружения до нескольких метров [4].

Рис. 5. Схема включения микросхемы HALIOS E909.07

Рис. 5. Схема включения микросхемы HALIOS E909.07

Микросхема Halios E909.11 (рисунок 6) объединяет в себе сразу три датчика: жестов, приближения и уровня освещения окружающей среды. Ориентирована на применение в портативных устройствах, таких как смартфоны, планшеты, ноутбуки, цифровые фотоаппараты. У датчика реализована высокая дальность обнаружения, порядка 500 мм, без использования каких-либо дополнительных усилителей сигнала. Высокая частота работы устройства позволяет сократить время активного измерения до минимальных значений. Изделие отличается очень низким потреблением тока – порядка 0,4 мкА в режиме ожидания. Датчик идеально подходит для контроля уровня яркости потребительских и промышленных дисплеев, распознавания жестов для потребительской техники и промышленных приборов [5].

Рис. 6. Схема включения микросхемы HALIOS E909.11

Рис. 6. Схема включения микросхемы HALIOS E909.11

 

Отладочные платы

Для оценки работы рассмотренных контролеров компания Elmos предлагает четыре инструмента разработки и отладки приложений управления жестами [6].

Коммуникационная плата AC1210001 (рисунок 7) предназначена для подключения отладочных плат распознавания жестов производства Elmos к компьютеру.

Рис. 7. Коммуникационная плата AC1210001

Рис. 7. Коммуникационная плата AC1210001

Плата позволяет подключать датчик жестов E909.06 или любое другое совместимое HALIOS-оборудование через кабель FFC. Имеет USB-интерфейс для подключения к компьютеру, а также разъем для JTAG Olimex-адаптера. Позволяет контролировать 8 независимых выходов, каждый из которых можно отключить с помощью 8-канального DIP-переключателя.

RD1210001 – референс-дизайн на базе датчика E527.16 от Elmos, является полностью функциональным решением для управления освещением с помощью жестов [7].

Дизайн сочетает в себе весь цикл управления: от распознавания жеста до изменения освещенности. Отличительной чертой данного модуля является инновационный подход к построению самой платы, которую условно можно разделить на две части (рисунок 8) – интерфейсную часть и управляющую. После завершения процедуры отладки интерфейсную часть можно просто отрезать, а контролер с датчиком установить в разрабатываемое устройство. Зона обнаружения датчика составляет 25 сантиметров. Контролер поддерживает функцию димирования.

Рис. 8. Референс-дизайн на базе датчика E527.16

Рис. 8. Референс-дизайн на базе датчика E527.16

Также интересным является оценочный набор RD1210005 (рисунок 9), представляющий собой референс-дизайн для создания HMI решений с бесконтактным управлением на базе технологии HALIOS с использованием E909.06 HALIOS® Gesture Reference Board. Использований датчик позволяет определить движение объекта в трех плоскостях на расстоянии до 25 см от датчика. Набор позволяет распознавать движения руки или любого другого предмета по двум осям X и Y, а также установить реакцию на приближение или удаление по оси Z, также может распознать одинарный или двойной клик. Все реакции набора на жесты отображаются синими светодиодами, установленными на плате.

Рис. 9. Оценочный набор RD1210005

Рис. 9. Оценочный набор RD1210005

Для полного визуального контроля датчик E909.6 с помощью ШИМ управляет яркостью свечения светодиода, расположенного в центре. Чем ближе рука или какой-либо предмет приближаются к датчику, тем ярче загорается светодиод. Если руку, или любой другой предмет задержать в зоне распознавания – все светодиоды на кроткий срок зажгутся и погаснут. Такой подход к реализации световой индикации может быть использован в конечном устройстве при навигации по меню и выборе какого-либо пункта, вызова контекстного меню.

Питание платы осуществляется через разъем mini USB, расположенный на обратной стороне платы, служащий исключительно для питания и не предназначенный для передачи информации. Для связи с компьютером или другим целевым устройством нужно использовать дополнительную коммуникационную плату, подключаясь через ZIF-колодку.

Идеи применения

Возможность гибкого бесконтактного управления с помощью жестов открывает широкий спектр применения данных датчиков. Конечно же, управление освещением – это только один из самых востребованных примеров. Интересным является также использование датчиков в различных устройствах бытового или промышленного применения для бесконтактного управления. С их помощью можно реализовать гибкое управление с навигацией, выбором подменю или конкретного пункта меню. Актуальным будет также использование датчиков в стерильных помещениях, например в хирургии или других исследовательских лабораториях. Их использование позволит уменьшить количество рисков загрязнения при контакте с оборудованием.

 

Заключение

Рассмотренные датчики движения и отладочные комплекты позволяют решить широкий спектр задач бесконтактного управления с помощью жестов. Среди рассмотренных комплектов выделяется референс-дизайн на базе датчика E527.16 от Elmos, который является полнофункциональным решением для разработки систем жестового управления. В отличие от оценочного набора, RD1210005 не требует дополнительного оборудования, а возможность отделения интерфейсной части после завершения процедуры отладки делает комплект готовым к внедрению в разрабатываемые приложения без дополнительной переработки или доукомплектации.

 

Литература

  1. https://www.terraelectronica.ru/news_utr.php?ID=64
  2. http://www.elmos.com/english/products/sensor/haliosr.html?=b9f6c6af5983a5dd0ef789c536877f8c
  3. http://www.elmos.com/english/products/sensor/haliosr.html?=72b9013576e5732a85c7105b7c155584
  4. http://www.elmos.com/english/products/sensor/haliosr.html?=c1109008ae4dffc269dea0af2e783d52
  5. http://www.elmos.com/fileadmin/2013/02_products/04_sensor/04_halios/e909-11_elmos_ds.pdf
  6. https://www.terraelectronica.ru/catalog.php?IDp=586&prod=ELMOS
  7. https://www.terraelectronica.ru/catalog_info.php?CODE=1894181.
Elmos_NE_07_15_opt
•••

Наши информационные каналы