基于FDC2214電容傳感器的手勢識(shí)別系統(tǒng)

高瀧森，王 磊，孟凡強(qiáng)，劉明民

(1.河北地質(zhì)大學(xué) 信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050031；2.攀枝花學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

隨著科技的發(fā)展，智能識(shí)別已經(jīng)成為了前沿技術(shù)，語音識(shí)別、虹膜識(shí)別、人臉識(shí)別等技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、航空、民用等多個(gè)領(lǐng)域。目前基于電容傳感器、紅外傳感器等的人機(jī)接口刷新率都很高，實(shí)時(shí)性一般都可以滿足要求。但在準(zhǔn)確性以及功耗上均欠佳，特別是在精細(xì)動(dòng)作控制方面。大多數(shù)設(shè)備測試時(shí)有著較高的環(huán)境要求，且成本昂貴，不適用于微型測控系統(tǒng)。

FDC2214作為一款新型的低功耗且識(shí)別率高的電容檢測芯片，該系列產(chǎn)品不受來自無線電、電源、燈光和電機(jī)等環(huán)境噪聲的影響，能夠在噪聲出現(xiàn)時(shí)使效能提升60倍，并在任何環(huán)境中均可實(shí)現(xiàn)以低成本電容為基礎(chǔ)的人體和物體感測[1]。FDC2214電容感測IC可以在任何絕緣材料上進(jìn)行感測，避免在終端設(shè)備上鉆孔，使設(shè)備更加美觀，并降低了生產(chǎn)成本。對環(huán)境光不敏感，可以在不增加成本的情況下檢測黑色和暗物體[2]。

同時(shí)提出基于STM32的實(shí)收實(shí)發(fā)系統(tǒng)，主控芯片采用STM32F407芯片，其是ARM公司推出的最新一代低功耗高性能片上系統(tǒng)，內(nèi)核為CortexM4，最高主頻可達(dá)168 MHz。內(nèi)部采用ARM的精簡指令集，單周期指令，并且集成了ARM公司的浮點(diǎn)DSP指令集，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)濾波以及FFT運(yùn)算[3]。由于采用片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，芯片內(nèi)集成了大量的外圍設(shè)備，具有較強(qiáng)的控制和通信能力，適用于工業(yè)控制信號(hào)處理。整個(gè)系統(tǒng)基于STM32設(shè)計(jì)，功耗低、體積小，該系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，不依賴于主機(jī)，具有良好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，手勢識(shí)別設(shè)備系統(tǒng)由處理器、按鈕模塊、顯示模塊和其他模塊組成。為了在良好的性能下運(yùn)行該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，選擇器件方案和設(shè)計(jì)模塊非常重要。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

該芯片采用1 MB閃存、192 kB SRAM芯片設(shè)計(jì)，可以擴(kuò)展外部閃存和SRAM；芯片的外設(shè)非常豐富：包括16個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12位的ADC、2個(gè)DAC、一個(gè)數(shù)字隨機(jī)發(fā)生器、3個(gè)I2C接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)I2S接口、6個(gè)UART接口、2個(gè)USB、2個(gè)CAN總線、1個(gè)SDIO接口以及1個(gè)以太網(wǎng)接口[4]。

2 FDC2214識(shí)別原理

圖2 雙極板電容示意圖

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

電容傳感器FDC2214電路原理圖，如圖4所示。

圖4 FDC2214電路原理圖

系統(tǒng)整體主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

測試方案及結(jié)果：

(1)猜拳判決。選取任意指定小組成員，將手放于檢測模塊的指定區(qū)域內(nèi)，對其“石頭”、“剪刀”、“布”3種不同手勢對應(yīng)的電容檢測值進(jìn)行記錄，反復(fù)測量采集到數(shù)據(jù)，得到3個(gè)手勢的電容值區(qū)域，從而在OLED屏上顯示對應(yīng)手勢的英文字母(石頭：Rock、剪刀：Scissors、布：paper)和對應(yīng)電容值。當(dāng)沒有檢測到手勢時(shí)，“Please”顯示在OLED上。猜游戲測試的結(jié)果如表1所示。

表1 猜拳判決測試結(jié)果

(2)劃拳判決。劃拳判決采集的手勢為“1”、“2”、“3”、“4”、“5”，其余測試過程與猜拳判決相同。劃拳判決測試結(jié)果如表2所示。

表2 劃拳判決測試結(jié)果表

(3)猜拳訓(xùn)練。按鍵選中訓(xùn)練模式，任一成員將手放于測試區(qū)域內(nèi)，做出“石頭”、“剪刀”、“布”手勢，測試模塊和電容傳感器將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到主控板內(nèi)進(jìn)行處理并儲(chǔ)存，之后進(jìn)行手勢判決，猜拳訓(xùn)練測試結(jié)果如表3所示。

表3 猜拳訓(xùn)練測試結(jié)果

(4)劃拳訓(xùn)練。劃拳訓(xùn)練采集手勢為“1”、“2”、“3”、“4”、“5”，其余測試過程與猜拳訓(xùn)練相同。劃拳訓(xùn)練測試結(jié)果如表4所示。

表4 劃拳訓(xùn)練測試結(jié)果表

經(jīng)多次測試，各項(xiàng)訓(xùn)練顯示結(jié)果完全正確，達(dá)到預(yù)期要求。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過FDC2214檢測電容值進(jìn)行手勢檢測，初步設(shè)計(jì)選擇FDC2214單通道檢測電容值，在測試過程中，手勢判斷進(jìn)行順利，但在手勢訓(xùn)練中遇到瓶頸。覆蓋每個(gè)人的手掌大小不同，導(dǎo)致FDC2214單通道檢測能力閾值差異較大。因此，采用FDC2214雙通道檢測電容，在消除環(huán)境噪聲和減少誤差的同時(shí)更方便地檢測電容，最終實(shí)現(xiàn)了手勢訓(xùn)練的功能。該手勢識(shí)別設(shè)計(jì)及研究思想仍有較大的利用價(jià)值，繼續(xù)深入研究可作為接近傳感器，用于汽車工業(yè)中避免碰撞、提高安全度等領(lǐng)域。