基于电容传感的手势识别车载音频系统

索朝举 徐宁 刘静波 沈沛雨 李泓铂

摘  要：本文设计了一种采用FDC2214电容传感芯片的手势控制车载音频系统，实现从上到下、从下到上、从左到右、从右到左等手势的判定，其中上下挥动用以控制系统开关机，左右挥动用以调节音频系统音量。系统包括FDC2214电容传感模块、音频处理系统SC7313、电子开关以及MCU等部分。MCU通过IIC方式对FDC2214电容传感模块采集的四块电容传感板数据进行处理，进而控制SC7313音频处理系统和电子开关，实现音量控制和开关机功能。其采用电容传感方式实现手势挥动识别，减少外界环境对识别装置的影响且无须佩戴手持设备，增强了驾驶的安全性。

关键词：电容传感;手势识别;车载音频系统

中图分类号：TP23;TP212      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）13-0032-03

Gesture Recognition Vehicle Audio System Based on Capacitance Sensor

SUO Chaoju，XU Ning，LIU Jingbo，SHEN Peiyu，LI Hongbo

（School of Information and Communication Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing  211167，China）

Abstract：A gesture control car audio system using FDC2214 capacitive sensor chip is designed to realize the gestures from top to bottom，bottom to top，left to right and right to left. The up and down wave is used to control the system switch，left and right to adjust the volume of the audio system. The system includes FDC2214 capacitive sensing module，audio processing system SC7313，electronic switch and MCU. The MCU processes the four capacitive sensing board data collected by the FDC2214 capacitive sensing module through the IIC method，thereby controlling the SC7313 audio processing system and the electronic switch to realize the functions of volume control and switching. This capacitive sensing method realizes gesture waving recognition，which reduces the influence of the external environment on the identification device and does not need to wear a handheld device，thereby increasing the safety of driving.

Keywords：capacitive sensing;gesture recognition;car audio system

0  引  言

目前手勢识别多媒体控制系统的实现大多借助数据手套、摄像头、红外等输入设备，这些控制系统易受到电源、光线及电机等外界环境的影响[1]。

针对传统手势识别方法的不足，此系统采用TI公司推出的新型电容传感芯片FDC2214组建手势传感系统。以FDC2214构建四通道传感方式，检测用户手势挥动后的传感板电容变化量，实现手势上下挥动控制音频系统的开关机，左右挥动改变音量的大小，无须使用者佩戴手持设备，符合用户使用习惯，增强了驾驶的安全性。

1  系统组成

如图1（a）所示，此系统以STM32F103RCT6作为主控单元、FDC2214作为手势识别传感模块、SC7313作为音频音量控制模块，其中FDC2214和SC7313通过IIC方式与MCU进行通信。图1（b）是图1（a）中FDC2214手势识别传感模块的具体组成，其四个通道分别连接A、B、C、D四块电容传感板。当用户做出相应手势，A、B、C、D四块电容传感板的电容容量发生变化，MCU通过读取FDC2214的电容变化量来判断用户的手势变化。

当用户做出上下手势挥动后，MCU读取A、B两块传感板的变化数据，通过电子开关实现音频系统的开关机，当用户做出左右手势挥动后，MCU读取C、D两块传感板的变化数据，通过控制SC7313，实现音频系统音量的增加或减少。

2  FDC2214手势识别传感原理

FDC2214针对高分辨率（高达28位）进行了优化，采用L-C谐振器作为传感器，通过电容数字转换器（FDC）测量LC谐振器的频率并输出一个与频率成正比的数值，可以将此频率转换为等效电容。

此处选用一块FDC2214芯片连接四块电容传感板，如图1（b）所示排列。现设定未加任何手势和操作情况下t0时刻四块电容传感板的电容初始值分别为CA0，CB0，CC0，CD0，且每10ms自动更新。在一次手势挥动过程中，t1时刻四块电容传感板的电容值为CA1，CB1，CC1，CD1，设定ΔCA=CA1-CA0，ΔCB=CB1-CB0，ΔCC=CC1-CC0，ΔCD=CD1-CD0。MCU通过分别记录ΔCA，ΔCB，ΔCC，ΔCD出现最大值的时刻tAmax，tBmax，tCmax，tDmax，并对每次过程的tAmax，tBmax，tCmax，tDmax进行判断，如表1所示。从而模拟出手势挥动的轨迹，然后做出相应的控制指令，下发给电子开关或数字音频音量控制芯片。

3  硬件设计

如图2所示，FDC2214为TI公司推出的一种低功耗，低成本，高分辨率、抗电磁干扰强的非接触式感应技术的电容传感器，适用于各种不同的应用。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。MCU通过IIC的方式与其连接，Sensor0—Sensor3为四块排列好的电容传感板，用以检测手势变化的电容量。

SC7313是一块具有音量、音调（低音、高音）、平衡度（左、右）和响度（前、后）控制的音频处理电路，MCU通过IIC串行总线实现对其的操控，适用于高品质的汽车收、放音机和高保真的音响系统。采用高性能的CMOS工艺技术，实现了低失真、低噪声和低直流电平漂移。通过外接阻容网络和内部运放的配合，可设置各种交流幅频特性。MCU对电容传感板变化数据进行处理，当检测到手势从左向右滑动时，下达指令增加音量，当检测到手势从右向左滑动时，下达指令减小音量。图2中给出了SC7313的音频输入输出接口，以及IIC与MCU的接口定义。FDC2214和SC7313挂在一组IIC接口总线上，MCU通过器件不同地址进行软件配置和数据读写。

STM32F103RCT6是一款嵌入式微控制器集成电路，采用32位CortexTM-M3内核，CPU最高工作频率为72MHz，具有256KB程序存储器，48KRAM，51个输入输出引脚，3个12为数模转换器，支持多种调试模式和通信接口，12通道DMA控制器，支持定时器、ADC、SDIO、IIS、SPI、IIC和USART外设[2，3]，完全满足系统要求。

电子开关用于通过对音频系统的通断电实现开机和关机。电路中采用光耦与PMOS管的组合电路实现MCU的一个IO口控制音频系统开关机[4]。SWITCH是MCU的IO口输出信号端，SWITCH电平的高低作用于光耦，从而控制PMOS管栅源之间的电压值，实现对系统开关机控制。当SWITCH为低电平时，光耦导通，从而PMOS管导通输出，当SWITCH为高电平时，PMOS管截止，切斷音频系统电源。

如图3所示，FDC2214前端由LC谐振电路组成，后面跟着一个多路复用器，依次通过主动通道，并将它们连接到测量和数字化传感器频率（fSENSOR）的核心单元（Core）[5]。该内核使用参考频率（fREF）来测量传感器频率。fREF来源于内部参考时钟（振荡器）或外部提供的时钟。每个通道的数字化输出值（DATAx）与fSENSOR/fREF成比例。IIC接口用于支持设备配置和传输数字化频率值给主处理器（STM32F 103RCT6）。

4  软件设计

MCU对FDC2214和SC7313以IIC方式进行数据读写。程序上电初始化读取t0时刻四个通道电容值大小，之后每10ms对四个通道电容量进行读取。若当前读得电容值较上一次读得电容值有所增大（即ΔCX>0），则用此状态电容值替换上一个状态电容值大小并记录当前时间;若当前读得电容值较上一次读得电容值有所减小或者不变（即ΔCX≤0），则丢弃此次读取的数值，由此可以记录四个通道电容传感板电容变化到最大值的时间tXmax。在四块电容传感板电容量都发生变化（即有相应手势挥动）的情况下，对四个通道记录的时间tXmax进行排列，如表1所示，然后MCU根据表1下达指令控制音频系统开关机或音量增减;如若四块电容板电容量未全发生变化（即无相应手势挥动），则手势挥动无效，MCU不做相应处理。

对FDC2214数据进行读写时，MCU通过读取FDC2214的DATA_LSB_CHx寄存器得到数据的低16位、DATA_CHx寄存器得到数据高12位，将两个数据合起来，即为相应的电容值数据。SC7313的音量配置寄存器格式为（00X XXXXX），SC7313对音频音量的控制具有0～63（000 00000～00111111），共64个变化范围，通常将0～63个变化范围通过软件设置为0～21级的控制量，然后MCU根据手势识别判断表1对SC7313相应寄存器进行配置，从而控制音量的增减。图4为系统软件流程。

5  结  论

此设计检测不同方向手势变化作用于FDC2214电容传感板，系统读取电容变化量的不同，实现对车载音频处理系统的控制，极大地提高了识别的准确性，有效地避免了外界物理干扰及环境噪声产生的不良影响。在人机交互方面，电容传感式手势控制车载音频处理系统作为一种接近型传感器，具有很大的应用前景，在汽车安全驾驶领域具有极大的应用价值和实践意义。

参考文献：

[1] 李云鹤.智能穿戴设备基于动态模板匹配算法的3D手势识别 [J].物联网学报，2019，3（1）：97-105.

[2] 郭书军.ARMCortex-M3系统设计与实现——STM32基础篇 [M].第2版.北京：电子工业出版社，2018.

[3] 张洋，刘军，严汉宇，等.原子教你玩STM32（库函数版） [M].第2版.北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[4] 胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术基础 [M].第2版.北京：高等教育出版社，2010.

[5] 郭霞，谭亚丽，申淼.基于FDC2214的手势识别系统 [J].传感器与微系统，2018，37（12）：90-92.

作者简介：索朝举（1998-），男，汉族，江苏宿迁人，本科，研究方向：电子技术应用。