過(guò)去十年來(lái)，人機互動(dòng)技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的變化，大幅增強了用戶(hù)介面與智慧化設計。這些變化多聚焦於具有高精密度與低功耗電容式觸控螢幕的觸控介面，特別在手機市場(chǎng)更是如此。而今，隨著(zhù)人機介面技術(shù)與設計的進(jìn)展，紅外線(xiàn)近接感測器正逐漸成為以非接觸手勢辨識為中心的下一代用戶(hù)介面創(chuàng )新點(diǎn)。
傳統上，紅外線(xiàn)近接感測系統由舊式光電探測器和光電斷路器組成，它們各自根據是否行動(dòng)或中斷而觸發(fā)。這些近接感測解決方案廣泛應用於自動(dòng)門(mén)控制和廁所沖洗系統，然而這些應用也受感測器尺寸、功耗和可配置性的限制。更先進(jìn)的主動(dòng)式近接感測器為消費性電子和工業(yè)產(chǎn)品帶來(lái)了耳目一新的特性和增強體驗。
新一代的紅外線(xiàn)感測器產(chǎn)品，如Silicon Labs Si114x系列，不僅體積更小、功耗也更低，同時(shí)還能驅動(dòng)多個(gè)紅外線(xiàn)發(fā)光二極體(LED)，因而可實(shí)現先進(jìn)的多維手勢輸入功能。
從單LED到多LED系統演進(jìn)
單LED驅動(dòng)器的近接感測器已用於觸控螢幕手機多年了，在近接感測器市場(chǎng)佔有最大比重，但它們的使用並非沒(méi)有問(wèn)題。例如，近接感測器雖可在手機通話(huà)過(guò)程中關(guān)閉觸控螢幕，以避免臉頰意外碰觸，但只要搜尋一下網(wǎng)路便會(huì )發(fā)現許多終端用戶(hù)對於現有手機中近接感測器的表現並不滿(mǎn)意。意外的通話(huà)靜音、啟動(dòng)電話(huà)會(huì )議和掛斷電話(huà)，這些頻繁出現的意外都是由於近接感測器作業(yè)失誤而引起的。
為什麼一個(gè)看似簡(jiǎn)單的近接感測系統故障卻如此頻繁呢？答案就在於感測器的設計和配置，以及相關(guān)的機械原理。許多紅外線(xiàn)近接感測器只不過(guò)是：根據所接收的訊號來(lái)輸出原始數據的基本感測器。這些感測器並未內建智慧功能來(lái)協(xié)助區分系統雜訊和實(shí)際訊號，同時(shí)，他們也很難在高紅外線(xiàn)含量的環(huán)境(例如日光或有白熾光的室內)下運作。此外，儘管產(chǎn)品設計在當今電子系統設計中的重要性日益增強，但這些近接感測器並不適於在非常暗的覆蓋層下作業(yè)，因為它可能限制了外部可見(jiàn)光和紅外光線(xiàn)到達感測器的能量。
最新一代的近接感測器，如Silicon Labs的Si114x系列產(chǎn)品，克服了傳統近接感測器作業(yè)的相關(guān)缺點(diǎn)。如圖1所示，Si114x感測器的先進(jìn)架構具有多個(gè)高靈敏度的光電二極體和一個(gè)高精密度的類(lèi)比數位轉換器(ADC)，只需較其他感測器更少的時(shí)間(25.6ms)測量啟動(dòng)紅外線(xiàn)LED。較短的LED啟動(dòng)時(shí)間使感測器能對周?chē)h(huán)境中的紅外線(xiàn)強度進(jìn)行測定和補償，從而在實(shí)際的近接測量中實(shí)現更有效率的辨識。
更快的測量同時(shí)也降低了整體系統功率。紅外線(xiàn)LED是近接系統中的耗電大戶(hù)。大幅的減少LED開(kāi)啟時(shí)間能夠有效降低整體系統功耗。15級動(dòng)態(tài)可調整的LED驅動(dòng)設置，使得LED驅動(dòng)強度可根據周?chē)t外線(xiàn)條件進(jìn)行調整，因而節省了能量，以實(shí)現更高能效的設計。LED不需要再設定為最大的耗電配置；高靈敏度的光電二極體也使得感測器可執行於較暗的玻璃後面，因此電子設備即可隱藏在作業(yè)介面後，使產(chǎn)品設計變得更加簡(jiǎn)潔且更具時(shí)尚感。
圖1：能夠實(shí)現多維非接觸式手勢辨識介面的Si114x近接感測器。
三LED系統實(shí)現多元創(chuàng )新
雖然單LED感測系統正推動(dòng)當今市場(chǎng)的發(fā)展，但未來(lái)將加速邁向多LED近接感測器系統發(fā)展，以實(shí)現獨特的創(chuàng )新型用戶(hù)介面。雙LED紅外線(xiàn)系統能夠實(shí)現滑動(dòng)和選擇手勢功能，以用於諸如電子書(shū)翻頁(yè)、家用音響設備音量控制或平板電腦螢幕捲動(dòng)等應用。三LED近接感測系統能夠用於3D定位計算與多軸手勢辨識；三LED系統則用於非接觸式用戶(hù)介面導航，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應用僅僅受限於設計人員的創(chuàng )意。正如電容式觸控式螢幕開(kāi)啟了用戶(hù)介面的新紀元一樣，非接觸式手勢辨識技術(shù)也將改變終端用戶(hù)與電子產(chǎn)品間的互動(dòng)方式。雙LED和三LED紅外線(xiàn)近接感測解決方案非常適合作為這些系統的非接觸式手勢辨識解決方案。
非接觸式的好處：健康、安全與便利
一個(gè)現實(shí)的非接觸式介面問(wèn)題是：為什麼要建置這些系統？如果接觸式按鍵和觸控螢幕運作正常，為什麼要置換掉呢？紅外線(xiàn)系統並不會(huì )取代現有的系統，而是增強用戶(hù)的使用體驗。強化的整合度和小型化正改變用戶(hù)使用電子產(chǎn)品的方式。如今人們隨身攜帶著(zhù)智慧手機、個(gè)人媒體播放器、電子書(shū)和平板電腦，‘電腦’不再僅限於用戶(hù)家中或辦公室使用了。
咖啡廳、餐館、健身房、公車(chē)站、飛機航空站，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(hù)的手有時(shí)會(huì )被佔用、變髒、出汗或沾有食物──所有這些條件並不利於觸控螢幕作業(yè)。如果用戶(hù)是在健身房閱讀電子書(shū)，希望在跑步機上能一邊跑步一邊翻頁(yè)，那麼透過(guò)非接觸式手勢辨識系統來(lái)翻頁(yè)將更為容易，而不必再實(shí)際碰觸觸控螢幕或按下一個(gè)小按鈕。
無(wú)需看到即可控制設備有很多好處。例如，一個(gè)非接觸介面可以讓汽車(chē)駕駛以非接觸的方式揮手實(shí)現更安全的接聽(tīng)/結束通話(huà)或調整音量，而不必再去複雜儀表板上尋找控制鈕。並非所有的設備都需觸控螢幕的複雜圖形顯示，非接觸式用戶(hù)介面更能提供新穎且差異化的作業(yè)方式。
多LED近接系統可以基於用戶(hù)是否接近系統而改變系統作業(yè)。視訊轉換盒(STB)或HVAC控制面板的螢幕可以持續在關(guān)閉的省電模式下，直到系統檢測到一定距離內的用戶(hù)時(shí)才開(kāi)啟，這有效降低了功耗。電視也可以基於手勢輸入來(lái)開(kāi)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(hù)接近或遠離而改變顯示內容，並能以手勢輸入與潛在戶(hù)互動(dòng)交流。這是一種比採用觸控螢幕更衛生的方法。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近接感測器和主MCU(例如Silicon Labs的電容器式觸控感測微控制器)的設計使用電容器式觸控和紅外線(xiàn)非接觸式技術(shù)，開(kāi)啟了彈性化用戶(hù)介面的大門(mén)。主觸控感測MCU提供必要的運算能力去解釋紅外線(xiàn)感測器的輸出，並協(xié)助調整非接觸式手勢的時(shí)序與靈敏度。
MCU還可以用於感測器的即時(shí)配置，依據環(huán)境光強度而進(jìn)行最佳化的低功耗作業(yè)。圖2是一個(gè)非接觸式應用示例，包括近接感測器和電容器式觸控感測MCU。
圖2：基於近接感測器和觸控感測MCU的非接觸式人機介面應用。
隨著(zhù)越來(lái)越多可支援雙LED或三LED的先進(jìn)近接感測器晶片的問(wèn)世，嵌入式開(kāi)發(fā)人員能夠開(kāi)發(fā)出新的非接觸式手勢介面應用，並使得電子產(chǎn)品更安全衛生、更易於使用且更具有美好的使用體驗。因此，即使是最普通的家用電器、手持設備、運算平臺和工業(yè)介面也能夠透過(guò)手勢來(lái)開(kāi)啟和控制。 |
