基于FDC2214手势识别装置的设计与实现

12|电子制作2019年02-03月电子电路设计与方案0引言本设计是基于TI公司传感芯片FDC2214设计制作一个手势识别装置，当人手接近连接在FDC2214板子的导体传感平面时，传感端的电容发生了变化，这就会导致LC电路振荡频率的变化。反映出手势接近后，将参数变化的信息反馈到单片机中进行处理，判断此时为哪块传感器发生了变化，通过程序对得到的数据进行处理和运算，推算出手势动作，并在OLED上把处理后的结果显示出来，从而实现对猜拳游戏和划拳游戏的判决。通过按键切换状态为“训练模式”，OLED显示训练手势，测试人员把要求手势靠近指定的区域，单片机将变化的传感器进行按顺序进行“指导训练”，直到“训练”结束后停止记录，通过按键切换为“判决模式”，进行训练的手势动作，测试员将训练的内容进行操作，将判别结果显示到OLED上。1系统工作原理本设计以STM32F103ZET6开发板为基础，结合FD-C2214EVM演示了如何使用电容感应技术来检测任何导电或非导电目标的存在。通过导体传感平面检测数据，STM32对输入的数据进行读取和处理，然后再通过OLED显示得到的结果。该系统的总体结构框图如图1所示。该设计可以扩展以下功能：能实现一系列双手交互动作，如握拳、手心写字、十指交叉等，能够给特定的手势赋予不同的指令，如语音提示、点亮OLED、打开按键操作等。2硬件系统设计本系统由高性能的STM32单片机、FDC2214抗电磁干扰的电容数字转换器以及四个LC电路振荡电路构成，通过按键来实现猜拳和划拳之间的切换，以及判别和训练模式之间的切换。当电容传感器检测到有人体靠近时，电容器的电量减小，通过FDC2214提供了快速采样率，将采集的数据实时传输到单片机中，单片机经过对FDC2214传输的四个数据的值域进行对比，判断手势靠近的电容器的区域，进而推测出手势动作。系统总体结构图如图2所示。图2 总体系统结构■2.1FDC2214模块设计FDC2214模块中的FDC2214是高分辨率、多通道电容至数字用于实现电容式传感解决方案。FDC2214创新的抗EMI技术架构，甚至可以保持性能高噪音环境的存在，提供灵活性系统设计。该模块的电容式传感器的转换电路选用的是调频电路，将传感器电容接入振荡器LC谐振回路中，作为回路的一部分，将电容容量的变化转换为电路振荡频率的变化，从而可以通过测量频率来得到被测量的变化。其结构简单，系统架构相对稳定。如图3所示，FDC2214采用L-C谐振器。作为传感器，窄带架构可实现前所未有的抗电磁干扰能力，并大大降低噪声。与其他电容式传感解决方案相比较，使用这个原理，电容数字转换器（FDC）可以测量振荡LC谐振器的频率。本设计输出一个与频率成正比的数字值，这个频率测量可以转换为等效电容。本电路9到16号引脚外接的电路构成了4个引脚，外部通过电容和电感的作用构成了4个通道，最外接入四个CapSensor来对人体的手势进行感应。■2.2OLED模块设计有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode，OLED），又被称为有机电激光显示器、有机发光半导体。OLED技术具有自发光、无穷高对比度、宽视角、低功耗、基于FDC2214手势识别装置的设计与实现周孟强，刘会衡（通讯作者）（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）基金项目：1.“机电汽车”湖北省优势特色学科群开放基金项目资助（NO.XKQ2018035）；2.湖北省教育厅科学研究计划重点项目资助（No.D20162603）。摘要：本文以STM32为处理控制核心，通过连接在传感芯片FDC2214的导体传感平面检测数据，经单片机处理后通过OLED来显示结果，从而实现对手势的训练和判决。该手势识别装置具有操作简单、成本低、实用性强、可开发性强等优点。关键词：FDC2214；手势识别；电容传感器；OLED图1 系统整体结构框图�ele169�com|13电子电路设计与方案响应速度极快、可实现柔韧性显示等特性，自从发现以来就得到了广泛的应用。其原理图如图4所示。图4 OLED模块原理图本设计的OLED模块采用SSD1306芯片进行驱动，使用8080的接口方式。该模块的并口读/写过程是将数据放到数据口，根据数据类型设置DC的电平状态，然后拉低片选，选中SSD1306，根据读或写数据置RD/WR为低。读数据过程在RD的上升沿把数据锁存在数据线上；写数据过程在WR的上升沿把数据写入到SSD1306里面，最后拉高CS和DC。3系统软件设计手势识别，在计算机科学中是通过数学算法来识别人类手势的一个议题。本系统软件主要是对FDC2214检测数据的处理。为了对数据进行精准有效的测量，有两种方案可供选择。（1）方案一采用最小二乘法的思想进行数据的处理和计算。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵通过最小二乘法来表达。利用本方法可以求得每一个通道的数值与对应的手势之间的线性关系。设电容式传感器的通道分别为①、②、③、④，各通道数值与其对应的手势如表1所示。表1 各通道数值与对应的手势α1α2α3α4α5β1β2β3β4β5γ1γ2γ3γ4γ5δ1δ2δ3γ4γ5对应手势12345假设满足下列方程：y=Ax1+Bx2+Cx3+Dx4其中xi对应i通道，y对应识别的手势，A、B、C、D是待定系数。图3 FDC2214模块原理图14|电子制作2019年02-03月电子电路设计与方案由此可以根据数据作如下方程：1111122222333334444455555yABCDyABCDyABCDyABCDyABCDαβγδαβγδαβγδαβγδαβγδ=+++=+++=+++=+++=+++进而可以表示成：1111122222333334444455555ABCDyyyyyαβγδαβγδαβγδαβγδαβγδ=等效为：[Y]=[A][X]即，[X]=[A]-1[Y]求出相应关系后每次就能直接根据y的值识别出每次所表达的手势。（2）方案二图5 数据处理流程图本方案采取的是二值化的方法来对数据进行处理。在最开始没有接入的时候4个通道可以测量出一个初始范围，以本范围作为基准，在当人体手势做出的时候，4个通道的数值会发生变化，通过这个变化对数据进行处理，将改变了的值和仍处于这个范围的值分别赋予“0”和“1”，进而分辨出不同数据情况下所表达的手势。该方案的流程图如图5所示。对上述两种方案进行比较，方案一计算较为复杂，而且通道和手势的代数方程不唯一，具有不确定性，难于操作。本方案的二值法具有简单、方便、利于处理、逻辑更加清晰等优点。最终本设计选择方案二对来自FDC2214的检测数据进行处理。4主要测试结果本系统是利用FDC2214的工作原理可实现手势接近和识别的功能。当人手接近该导体传感器平面时，传感端的电容发生了变化，这就会导致LC电路振荡频率的变化，根据该频率值可计算出被测电容值，从而反映出手势的接近，以及手势的判定。当4个通道显示的数值不同时，其每种组合就构成一种手势。4个传感器检测通道的主要测试结果如表2所示。表2 手势识别装置各通道测试结果通道测量值(均值)CH1CH2CH3CH4识别前31209976313369973182209631824084识别后31147316312970683176568331751594其中CH1、CH2、CH3、CH4表示4个传感器检测通道。5结束语本系统通过FDC2214设计的手势识别装置实现了设计要求，根据手指所靠近电容传感器的位置判断用户的手势动作，并且把此时单片机判断的结果通过OLED显示出来。并且本系统可以准确区分不同游戏规则间的区别，比如猜拳的“布”和划拳的“五”、猜拳的“剪刀”和划拳的“二”之间的区分，通过“训练模式”训练后，用户可以熟练掌握本系统的判别方法，并进行独立操作。参考文献＊[1]王渊.最小二乘配置在推估重力异常上的应用[J].江苏科技信息，2018.2＊[2]周孟强.基于STM32的北斗/GPS定位系统的设计[J].电子制作,2018.7.参考文献＊[1]李树鲁,时分多址（TDMA）在点对多点无线通信系统中的应用[D]，山东大学,2005.＊[2]王新,李宝平.CDMA/SDMA系统性能分析[J].移动通信.2007,11.＊[3]任大勇.CDMA与GSM同频传输及其关键技术研究[D].西安电子科技大学,2005.＊[4]张靖,黎海涛.TDDOFDM系统中下行链路多址接入方式性能分析[D].清华大学,2004.＊[5]黄凌鹤.多带OFDM超宽带系统及其多址技术研究[D].东华大学,2008.（上接第53页）