一種基于FDC2214 的多手勢識別裝置

翟文盛，成吉聰，于增洋

（山東科技大學 電子信息工程學院，山東 青島266500）

1 引言

本文針對手勢識別裝置的局限性，采用了TI 公司最新推出的低功耗、低成本、高分辨率的非接觸式電容式傳感器FDC2214 進行測量。

系統在學習模式下用右手錄入標準手勢：剪刀、石頭、布、數字1—10。在判斷模式下識別手勢，當人手靠近裝置時，3 個極板的電容值會發生變化，在STM32 中實現不同類別手勢的識別[1]，最終將手勢識別結果用OLED 屏顯示出來[2]。

2 測量原理與方法

2.1 測量原理

電容位移傳感器的敏感元件是電容器，對于由兩個平行金屬板組成的電容器，如果忽略邊緣效應，電容值為：

式（1）中：ε為極板間介質的介電常數；A 為極板相互遮蓋面積；D 為兩金屬平行極板間的距離[3-4]；ε0為真空介電常數；εr為極板間介質的相對介電常數。

由式（1）可知，當保持A 和ε不變時，通過改變兩金屬極板間的距離D，引起電容值、諧振頻率LC 的變化[3]。

FDC2214 是一個電容數字轉換器，可以將頻率測量轉換為等效電容，而電容的變化可以轉換為通過匹配測量電路輸出的電信號。

2.2 系統方案設計

本文對兩種不同的方案進行了如下比較：①采用雙極板設計加層亞克力板設計，優點是兩路數據處理方便，缺點是識別率較低；②采用三極板+雙層有機玻璃，邊緣用鋁箔封裝的設計，優點是受環境影響較小，數據獲取更全面，特征獲取起來更方便。

選擇第一種方案，極板設計如圖1 所示。

圖1 極板設計圖

2.3 測量方法

在測量時，為了避免電磁干擾對FDC2214 的影響，采取了物理屏蔽的方法，即將信號線固定，芯片放在亞克力盒子中，按鍵記錄數據。裝置在對不同類別的手勢識別前，需要對系統進行學習，單片機將不同類別的手勢錄入對應的電容數值，并保存作為參考量。在進行手勢識別時，因手與極板接觸的面積不同，引起的電容變化值也不同[5]，經I2C 通信形式傳遞至STM32 單片機，之后單片機通過比對，并將結果在OLED 屏上顯示。

3 系統硬件設計

多手勢識別裝置構造主要包括電容式傳感器芯片（FDC2214）、外接極板（雙面覆銅極板）、系統控制模塊（STM32F1RCT6 單片機）、OLED 顯示模塊、LED 指示燈以及電源模塊、電源穩壓模塊等。電源（穩壓）模塊為系統供電，維持裝置的正常工作。裝置模塊如圖2 所示。

圖2 裝置模塊

3.1 FDC2214 芯片

電容式傳感是一種低功耗、低成本且高分辨率的非接觸式感測技術，適用于接近檢測、手勢識別、遠程液位感測領域的各項應用。電容式傳感系統中的傳感器可以采用任意金屬或導體，因此可實現高度靈活的低成本系統設計。電容式傳感應用靈敏度的主要限制因素為傳感器的噪聲敏感性，而FDC2214 采用創新型抗EMI 架構，即使在高噪聲環境中也能維持性能不變。在噪聲出現時，FDC2214 的性能提升約60 倍[6]，在任何環境下均可實現基于低成本電容方式的人體和物體感測。電容式傳感系統中的傳感可以采用任意金屬或導體，該器件支持寬激勵頻率范圍，可提高系統靈活性[7]。

3.2 顯示模塊

OLED 的SCL 與單片機的GPIOPB8 連接，SDA 與GPIOPB9 連接。由于本系統的模式顯示文字少，所以，采用0.96 寸OLED 液晶屏，可在最大程度上減小系統體積。同時OLED 相對于LCD12864 或TFT 彩屏耗電更低，更加節約能源，成本更低。

3.3 STM32F103RCT6 單片機

STM32F4VET6 單片機的GPIOPC4 引腳與FDC2214 芯片的SCL 相連；GPIOPC3 引腳與FDC2214 芯片的SDA 相連，用以發送和接收數據[8]。

系統原理如圖3 所示。

圖3 系統原理圖

4 軟件設計

4.1 程序設計過程

本次實驗采用三通道法，對3 個極板采樣的電容值進行物理取差，數據傳入FDC2214 電容傳感器，主控芯片采樣傳感器輸出數字量，通過中值濾波和均值濾波的配合去除無效數據。開始時系統初始化，定時器中斷循環采集FDC2214數據，通過掃描按鍵操作切換多級菜單，實現對各個功能的切換，判斷功能采用簡單的選擇算法，將瞬間30 次的掃描檢測結果經過數據處理后與錄入結果進行循環對比，返回與錄入結果差距最小的狀態。學習模式通過檢測3 個通道的數據，將多次檢測的數據經過處理后存儲，供判斷模式進行對比[9]。程序主流程如圖4 所示。

4.2 系統執行過程

裝置識別手勢之前，需要錄入一次空值作為基礎初值，該值是對當下環境的實時描述。因為FDC2214 芯片對環境變化較為敏感、分辨率較高，因此，在不同環境下各通道外接極板的數據接收值會存在較大差異，導致簡單常數通常無法精準表示實時的環境狀況。而通過初值錄入，可在最大程度上避免此類誤差的出現。

圖4 程序流程圖

判斷模式下，芯片通道引出的對應外接極板可監測到因不同手勢而引起的環境變化。單片機將獲得的近百組數據，通過中值濾波和均值濾波的配合，再去除無效數據后，所求得的值即此時手勢的特征值，作為工作模式下數據比對的基礎，判斷出手勢類別，并將結果顯示在OLED 屏。測試結果如圖5 所示。

圖5 系統測試結果圖

5 實驗結果

最終采用亞克力板與雙面銅板的結構，亞克力底板打磨防滑紋路，以便更好地支撐和固定亞克力底板。亞克力板中心打孔，信號線從底部引出，通過FDC2214 電容的變化來判斷手勢類別。通過設置，電路能夠自校準環境所引起的參數變化。手勢識別測試結果如表1 所示。系統裝置實物如圖

6 所示。

表1 手勢識別測試結果

圖6 系統裝置實物圖

6 結語

本文對基于嵌入式STM32F1RCT6 芯片的多種規格紙張測量裝置的設計進行了介紹。設計的系統整體性能優良，經驗證能夠實現預期的功能。今后還要進一步完善此系統，使之成為功能更好、更穩定的產品。通過本次設計，進一步體現了電容式傳感器的結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態響應特性好等優點。未來在人工智能領域、智慧醫療、3DVR 體感游戲等領域，電容式傳感器將會有更為廣闊的天地。