過(guò)去十年來(lái)，人機(jī)互動(dòng)技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的變化，大幅增強(qiáng)了用戶介面與智慧化設(shè)計(jì)。這些變化多聚焦於具有高精密度與低功耗電容式觸控螢?zāi)坏挠|控介面，特別在手機(jī)市場(chǎng)更是如此。而今，隨著人機(jī)介面技術(shù)與設(shè)計(jì)的進(jìn)展，紅外線近接感測(cè)器正逐漸成為以非接觸手勢(shì)辨識(shí)為中心的下一代用戶介面創(chuàng)新點(diǎn)。
傳統(tǒng)上，紅外線近接感測(cè)系統(tǒng)由舊式光電探測(cè)器和光電斷路器組成，它們各自根據(jù)是否行動(dòng)或中斷而觸發(fā)。這些近接感測(cè)解決方案廣泛應(yīng)用於自動(dòng)門控制和廁所沖洗系統(tǒng)，然而這些應(yīng)用也受感測(cè)器尺寸、功耗和可配置性的限制。更先進(jìn)的主動(dòng)式近接感測(cè)器為消費(fèi)性電子和工業(yè)產(chǎn)品帶來(lái)了耳目一新的特性和增強(qiáng)體驗(yàn)。
新一代的紅外線感測(cè)器產(chǎn)品，如Silicon Labs Si114x系列，不僅體積更小、功耗也更低，同時(shí)還能驅(qū)動(dòng)多個(gè)紅外線發(fā)光二極體(LED)，因而可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的多維手勢(shì)輸入功能。
從單LED到多LED系統(tǒng)演進(jìn)
單LED驅(qū)動(dòng)器的近接感測(cè)器已用於觸控螢?zāi)皇謾C(jī)多年了，在近接感測(cè)器市場(chǎng)佔(zhàn)有最大比重，但它們的使用並非沒(méi)有問(wèn)題。例如，近接感測(cè)器雖可在手機(jī)通話過(guò)程中關(guān)閉觸控螢?zāi)�，以避免臉頰意外碰觸，但只要搜尋一下網(wǎng)路便會(huì)發(fā)現(xiàn)許多終端用戶對(duì)於現(xiàn)有手機(jī)中近接感測(cè)器的表現(xiàn)並不滿意。意外的通話靜音、啟動(dòng)電話會(huì)議和掛斷電話，這些頻繁出現(xiàn)的意外都是由於近接感測(cè)器作業(yè)失誤而引起的。
為什麼一個(gè)看似簡(jiǎn)單的近接感測(cè)系統(tǒng)故障卻如此頻繁呢？答案就在於感測(cè)器的設(shè)計(jì)和配置，以及相關(guān)的機(jī)械原理。許多紅外線近接感測(cè)器只不過(guò)是：根據(jù)所接收的訊號(hào)來(lái)輸出原始數(shù)據(jù)的基本感測(cè)器。這些感測(cè)器並未內(nèi)建智慧功能來(lái)協(xié)助區(qū)分系統(tǒng)雜訊和實(shí)際訊號(hào)，同時(shí)，他們也很難在高紅外線含量的環(huán)境(例如日光或有白熾光的室內(nèi))下運(yùn)作。此外，儘管產(chǎn)品設(shè)計(jì)在當(dāng)今電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要性日益增強(qiáng)，但這些近接感測(cè)器並不適於在非常暗的覆蓋層下作業(yè)，因?yàn)樗赡芟拗屏送獠靠梢姽夂图t外光線到達(dá)感測(cè)器的能量。
最新一代的近接感測(cè)器，如Silicon Labs的Si114x系列產(chǎn)品，克服了傳統(tǒng)近接感測(cè)器作業(yè)的相關(guān)缺點(diǎn)。如圖1所示，Si114x感測(cè)器的先進(jìn)架構(gòu)具有多個(gè)高靈敏度的光電二極體和一個(gè)高精密度的類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)，只需較其他感測(cè)器更少的時(shí)間(25.6ms)測(cè)量啟動(dòng)紅外線LED。較短的LED啟動(dòng)時(shí)間使感測(cè)器能對(duì)周圍環(huán)境中的紅外線強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定和補(bǔ)償，從而在實(shí)際的近接測(cè)量中實(shí)現(xiàn)更有效率的辨識(shí)。
更快的測(cè)量同時(shí)也降低了整體系統(tǒng)功率。紅外線LED是近接系統(tǒng)中的耗電大戶。大幅的減少LED開啟時(shí)間能夠有效降低整體系統(tǒng)功耗。15級(jí)動(dòng)態(tài)可調(diào)整的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)置，使得LED驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可根據(jù)周圍紅外線條件進(jìn)行調(diào)整，因而節(jié)省了能量，以實(shí)現(xiàn)更高能效的設(shè)計(jì)。LED不需要再設(shè)定為最大的耗電配置；高靈敏度的光電二極體也使得感測(cè)器可執(zhí)行於較暗的玻璃後面，因此電子設(shè)備即可隱藏在作業(yè)介面後，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)潔且更具時(shí)尚感。
圖1：能夠?qū)崿F(xiàn)多維非接觸式手勢(shì)辨識(shí)介面的Si114x近接感測(cè)器。
三LED系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多元?jiǎng)?chuàng)新
雖然單LED感測(cè)系統(tǒng)正推動(dòng)當(dāng)今市場(chǎng)的發(fā)展，但未來(lái)將加速邁向多LED近接感測(cè)器系統(tǒng)發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的創(chuàng)新型用戶介面。雙LED紅外線系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)滑動(dòng)和選擇手勢(shì)功能，以用於諸如電子書翻頁(yè)、家用音響設(shè)備音量控制或平板電腦螢?zāi)粧詣?dòng)等應(yīng)用。三LED近接感測(cè)系統(tǒng)能夠用於3D定位計(jì)算與多軸手勢(shì)辨識(shí)；三LED系統(tǒng)則用於非接觸式用戶介面導(dǎo)航，例如圖示或圖片選擇、地圖放大和縮小，或甚至遊戲控制等。
其他更令人興奮的雙LED和三LED應(yīng)用僅僅受限於設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意。正如電容式觸控式螢?zāi)婚_啟了用戶介面的新紀(jì)元一樣，非接觸式手勢(shì)辨識(shí)技術(shù)也將改變終端用戶與電子產(chǎn)品間的互動(dòng)方式。雙LED和三LED紅外線近接感測(cè)解決方案非常適合作為這些系統(tǒng)的非接觸式手勢(shì)辨識(shí)解決方案。
非接觸式的好處：健康、安全與便利
一個(gè)現(xiàn)實(shí)的非接觸式介面問(wèn)題是：為什麼要建置這些系統(tǒng)？如果接觸式按鍵和觸控螢?zāi)贿\(yùn)作正常，為什麼要置換掉呢？紅外線系統(tǒng)並不會(huì)取代現(xiàn)有的系統(tǒng)，而是增強(qiáng)用戶的使用體驗(yàn)。強(qiáng)化的整合度和小型化正改變用戶使用電子產(chǎn)品的方式。如今人們隨身攜帶著智慧手機(jī)、個(gè)人媒體播放器、電子書和平板電腦，‘電腦’不再僅限於用戶家中或辦公室使用了。
咖啡廳、餐館、健身房、公車站、飛機(jī)航空站，甚至洗手間正成為新一代嵌入式電子產(chǎn)品的使用環(huán)境。在這些不同的作業(yè)環(huán)境中，用戶的手有時(shí)會(huì)被佔(zhàn)用、變髒、出汗或沾有食物──所有這些條件並不利於觸控螢?zāi)蛔鳂I(yè)。如果用戶是在健身房閱讀電子書，希望在跑步機(jī)上能一邊跑步一邊翻頁(yè)，那麼透過(guò)非接觸式手勢(shì)辨識(shí)系統(tǒng)來(lái)翻頁(yè)將更為容易，而不必再實(shí)際碰觸觸控螢?zāi)换虬聪乱粋�(gè)小按鈕。
無(wú)需看到即可控制設(shè)備有很多好處。例如，一個(gè)非接觸介面可以讓汽車駕駛以非接觸的方式揮手實(shí)現(xiàn)更安全的接聽/結(jié)束通話或調(diào)整音量，而不必再去複雜儀表板上尋找控制鈕。並非所有的設(shè)備都需觸控螢?zāi)坏难}雜圖形顯示，非接觸式用戶介面更能提供新穎且差異化的作業(yè)方式。
多LED近接系統(tǒng)可以基於用戶是否接近系統(tǒng)而改變系統(tǒng)作業(yè)。視訊轉(zhuǎn)換盒(STB)或HVAC控制面板的螢?zāi)豢梢猿掷m(xù)在關(guān)閉的省電模式下，直到系統(tǒng)檢測(cè)到一定距離內(nèi)的用戶時(shí)才開啟，這有效降低了功耗。電視也可以基於手勢(shì)輸入來(lái)開啟或關(guān)閉。公共場(chǎng)所的小型視訊廣告看板可以基於用戶接近或遠(yuǎn)離而改變顯示內(nèi)容，並能以手勢(shì)輸入與潛在戶互動(dòng)交流。這是一種比採(cǎi)用觸控螢?zāi)桓l(wèi)生的方法。這種具‘環(huán)境感知’的電子產(chǎn)品能夠使終端產(chǎn)品更加智慧，同時(shí)也更加省電。
融合多LED近接感測(cè)器和主MCU(例如Silicon Labs的電容器式觸控感測(cè)微控制器)的設(shè)計(jì)使用電容器式觸控和紅外線非接觸式技術(shù)，開啟了彈性化用戶介面的大門。主觸控感測(cè)MCU提供必要的運(yùn)算能力去解釋紅外線感測(cè)器的輸出，並協(xié)助調(diào)整非接觸式手勢(shì)的時(shí)序與靈敏度。
MCU還可以用於感測(cè)器的即時(shí)配置，依據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度而進(jìn)行最佳化的低功耗作業(yè)。圖2是一個(gè)非接觸式應(yīng)用示例，包括近接感測(cè)器和電容器式觸控感測(cè)MCU。
圖2：基於近接感測(cè)器和觸控感測(cè)MCU的非接觸式人機(jī)介面應(yīng)用。
隨著越來(lái)越多可支援雙LED或三LED的先進(jìn)近接感測(cè)器晶片的問(wèn)世，嵌入式開發(fā)人員能夠開發(fā)出新的非接觸式手勢(shì)介面應(yīng)用，並使得電子產(chǎn)品更安全衛(wèi)生、更易於使用且更具有美好的使用體驗(yàn)。因此，即使是最普通的家用電器、手持設(shè)備、運(yùn)算平臺(tái)和工業(yè)介面也能夠透過(guò)手勢(shì)來(lái)開啟和控制。 |
