Встраиваемый модуль распознавания жестов с функцией электронного замка. Часть 1

Принцип действия и основные характеристики

В основе модуля лежит применение промышленного датчика распознавания жестов PAJ7620U2 производства Pix Art Imaging [1]. Датчик представляет собой миниатюрное оптико-электронное устройство, содержащее в одном корпусе оптическую матрицу (массив оптических сенсоров), светодиод подсветки внешних объектов, схему анализа и распознавания жестов, набор управляющих, информационных и конфигурационных регистров, тактовый генератор, а также последовательный интерфейс I²C. С помощью последнего осуществляется настройка, конфигурирование датчика и выдача во внешнее устройство информации о распознанных жестах. Помимо I²C датчик PAJ7620U2 поддерживает генерацию прерываний при обнаружении жестов на отдельном цифровом выходе INT. Техническое описание датчика доступно для загрузки на сайте производителя [2].

Датчик PAJ7620U2 используется в устройстве в составе удобного для монтажа промышленного модуля-сборки Grove-Gesture v1.0 [3], поддерживающего стандарт конструктива Grove. Grove-Gesture v1.0 представляет собой миниатюрную печатную плату (см. рис. 1), содержащую датчик PAJ7620U2, стабилизаторы питающих его напряжений, цепи формирования сигналов шины I²C, разъёмы питания и подключения по I²C к внешним устройствам и разъём выхода прерываний INT.

Датчик PAJ7620U2 позволяет рас­познавать девять пользовательских жестов: перемещение вверх, вниз, влево, вправо, приближение (движение к датчику), удаление (движение от датчика), круговые движения по и против часовой стрелки, а также волнообразное движение. Предполагается, что пользователь делает перечисленные жесты ладонью или пальцем, находящимся на расстоянии нескольких сантиметров от датчика, хотя датчик воспринимает жесты и от любого другого непрозрачного физического объекта сходных размеров. Ориентация самого датчика в пространстве при этом некритична, а распознавание жестов может осуществляться в нормальном (медленные жесты) и в игровом (быстрые жесты) режимах.

Модуль распознавания жестов на основе датчика PAJ7620U2 использует постоянное напряжение питания любой полярности в диапазоне от 7 до 15 В при токе потребления около 100 мА.

Устройство поддерживает два режима: распознавание любого из восьми пользовательских жестов и распозна­вание заданной последовательности жестов. Простое распознавание любого из восьми жестов определяет перемещение вверх (U), перемещение вниз (D), перемещение влево (L), перемещение вправо (R), приближение (движение к датчику) (F), удаление (движение от датчика) (B), круговое движение по часовой стрелке (C), круговое движение против часовой стрелки (A). Жесты U, D, L, R, C, A производятся в плоскости, параллельной лицевой стороне датчика, на расстоянии 5–15 см от неё. Распознавание заданной последовательности жестов (режим электронного замка) основано на определении комбинации перечисленных выше пользовательских жестов c длиной комбинации (отпирающего кода) от 2 до 11. Отпирающий код задаётся пользователем и постоянно хранится в энергонезависимой памяти устройства, ресурс которой составляет не менее 500 тысяч циклов перезаписи.

Устройство имеет девять (восемь жестов плюс электронный замок) цифровых выходов с высоким активным уровнем, соответствующим напряжению +3,3 В, максимальный ток нагрузки каждого выхода – не более 12 мА. К каждому из выходов подключён светодиод для индикации его состояния.

При распознавании любого из перечисленных жестов в любом режиме на цифровом выходе устройства, соответствующем распознанному жесту, генерируется импульс высокого уровня длительностью около 0,5 с, зажигая на этот интервал подключённый к выходу светодиод. Одновременно устройство выдаёт символ, соответствующий распознанному жесту (буквы U, D, L и прочие) через свой последовательный интерфейс RS-232, а также индицирует этот символ на ЖКИ.

В режиме электронного замка при распознавании комбинации жестов, совпадающей с отпирающим кодом, на цифровом выходе электронного замка генерируется импульс высокого уровня длительностью от 1 до 8 с (длительность задаётся пользователем), зажигая на этот интервал подключённый к выходу светодиод. Одновременно устройство через свой интерфейс RS-232 выдаёт строку символов, оповещающую об отпирании замка, индицирует её на ЖКИ и генерирует звуковой сигнал высокого тона. Если распознанная комбинация жестов не совпадает с отпирающим кодом, состояние цифрового выхода электронного замка остаётся в пассивном (низком) уровне. Одновременно устройство выдаёт строку символов, оповещающую о запертом состоянии замка, индицирует её на ЖКИ и генерирует звуковой сигнал низкого тона.

Задание отпирающего кода замка, а также других настроек модуля, осуществляется через интерфейс RS-232 с помощью подключённого к устройству внешнего терминала. Скорость обмена через RS-232 – 9600 бит/с. Вход в режим задания отпирающего кода (режим администратора) защищён паролем администратора, также хранящимся в энергонезависимой памяти устройства.

Характеристики и особенности работы датчика PAJ7620U2

Основные характеристики датчика PAJ7620U2 приведены в таблице 1, а его принципиальная схема показана на рисунке 2. Помимо распознавания жестов, датчик PAJ7620U2 также поддерживает обнаружение приближения и удаления физического объекта, например, ладони руки. Последняя функция может быть востребована, например, при встраивании этого датчика в мобильные устройства – смартфоны, планшеты и тому подобные, где требуется реакция системы на активность пользователя.

Внешне датчик представляет собой прямоугольник размерами 5,2 × 3,0 × 1,88 мм, на лицевой поверхности которого имеются окна для светодиода подсветки и оптической матрицы, схематично изображённые на рисунке 2. В правом верхнем углу лицевой стороны датчика имеется ключ правильной установки в виде квадратной выемки. Сведения о назначении и порядке использования линий датчика GPIO1-GPIO3 и TESTMD в документации производителя найти не удалось.

Встроенный в датчик светодиод подсветки получает питание по отдельной цепи (VLED) и предназначен для подсвечивания внешних объектов при совместной работе с оптической матрицей. Светодиод работает в режиме периодических вспышек с малой скважностью (типичные параметры вспышек: период мигания 500 мкс, скважность 5%). Пиковый ток через светодиод может достигать сотен миллиампер, однако при этом совокупный средний ток потребления датчика не выходит за пределы значений, указанных в таблице 1.

Доступ внешнего устройства к регистровому интерфейсу PAJ7620U2 осуществляется по шине I²C. Датчик является на шине ведомым (Slave), то есть внешнее принимающее устройство должно быть ведущим (Master). Регистровый интерфейс датчика PAJ7620U2 включает порядка двухсот управляющих, информационных и конфигурационных регистров, битовая структура и назначение большинства из которых документированы, к сожалению, очень поверхностно [2].

Регистровый массив организован в виде двух банков, переключение между которыми осуществляется путём записи в регистр по адресу 0×EF значения «0» для выбора банка 0, или значения «1» для выбора банка 1. Назначение и битовая структура нескольких наиболее актуальных для пользователя регистров из банков «0» и «1» приведены в таблицах 2 и 3.

Начальное включение датчика PAJ7620U2 производитель рекомендует осуществлять в следующем порядке. Сначала на него подаётся питающее напряжение интерфейса ввода-вывода и шины I²C – VBUS. Затем (или, в крайнем случае, одновременно) подаётся питающее напряжение внутренней логики датчика – VDD. Для VBUS и VDD можно использовать один и тот же источник. Конкретный момент выдачи напряжения питания встроенного светодиода подсветки VLED некритичен, однако для обнаружения жестов наличие этого напряжения обязательно. После установления VDD необходимо выждать не менее 700 мкс и затем приступить к программному пробуждению датчика. При начальном включении питания датчик находится в состоянии «сна» (Suspend), характеризующемся пониженным энергопотреб­лением. Чтобы обеспечить распозна­вание датчиком жестов или приближения/удаления, внешнему устройству необходимо «разбудить» его, переведя в рабочее состояние. Для этого внешнее устройство должно передать по шине I²C один байт – адрес ведомого PAJ7620U2 (Slave ID = 0×73). Указанная транзакция должна осуществляться в соответствии с общими требованиями протокола I²C: ведущее устройство начинает её, генерируя на шине условие START, затем передаёт байт, в старшей части которого содержится семиразрядный Slave ID, а младший разряд установлен как признак записи (W=1), после чего ведущий генерирует на шине условие STOP, завершая этим транзакцию. Передача по шине данных и адресов всегда начинается со старшего значащего разряда (СЗР).

Чтобы отследить успешное окончание пробуждения, ведущий производит циклическое чтение регистра датчика с адресом 0×00. Транзакция отдельного (не блочного) чтения в соответствии с протоколом I²C имеет следующий вид: ведущий генерирует условие START, затем, как и в предыдущем случае, передаёт Slave ID и W=1, дожидается от ведомого подтверждения, передаёт адрес регистра (в данном случае – 0×00) и вновь получает от ведомого подтверждение, после чего ведущий генерирует условие STOP, условие START и снова передаёт Slave ID, но младший разряд в байте уже сброшен как признак чтения (R=0). Далее он получает от ведомого подтверждение, затем получает от ведомого байт данных (содержимое адресованного регистра), выдаёт на шину состояние «неподтверждения» и генерирует условие STOP. Когда очередное чтение по адресу 0×00 возвратит значение 0×20, датчик можно считать пробудившимся.

После этого необходимо выдержать паузу длительностью не менее 400 мкс и загрузить в датчик настройки инициализации для распознавания жестов. Указанные настройки представляют собой двумерный массив из нескольких десятков элементов, каждый из которых состоит из двух байтов: адреса регистра и его содержимого. В спецификациях на датчик [2] приведены несколько возможных инициализационных массивов: для распознавания жестов, распознавания приближения/удаления, для других функций.

Каждый двухбайтовый элемент массива инициализации может быть загружен в датчик с помощью транзакции отдельной записи. Эта транзакция, в соответствии с протоколом I²C, имеет следующий вид. Ведущий генерирует условие START, затем передаёт Slave ID и W=1, дожидается от ведомого подтверждения, передаёт адрес требуемого регистра и вновь получает от ведомого подтверждение. Затем ведущий передаёт ведомому байт данных (содержимое адресованного регистра), получает от него подтверждение и генерирует условие STOP. «Затягивание» синхросигнала на шине датчик PAJ7620U2, как ведомое устройство, не поддерживает. Более подробное описание обмена по шине I²C между PAJ7620U2 и ведущим устройством можно найти в Datasheet [2].

Чтобы перевести датчик PAJ7620U2 в состояние сна, необходимо сначала отключить его путём записи значения 0×00 в регистр с адресом 0×72 из банка «1», а затем подать команду сна датчика и шины I²C путём записи значения 0×01 в регистр с адресом 0×03 из банка «0».

Чтобы вывести датчик PAJ7620U2 из состояния сна, необходимо сначала передать по шине I²C адрес ведомого PAJ7620U2 Slave ID, как было сказано ранее, а потом включить датчик путём записи значения 0×01 в регистр с адресом 0×72 из банка «1».

Помимо рабочего состояния, характеризующегося максимальным энергопотреблением и поддержкой всех функций, и состояния сна с минимальным энергопотреблением и полным отсутствием функций, датчик PAJ7620U2 может находится в двух промежуточных, так называемых дежурных, состояниях: Standby 1 и Standby 2. Они характеризуются меньшим, чем у рабочего состояния, энергопотреблением, но и меньшей скоростью обнаружения жестов. Степень уменьшения скорости обнаружения может быть установлена пользователем путём задания величин факторов реакции: S1 Response Factor и S2 Response Factor соответственно. Эти безразмерные величины отражают скважность мигания светодиода подсветки.

По замыслу производителя, датчик основную часть времени может находиться в одном из экономичных состояний Standby 1 или Standby 2, ожидая поступления жестов, а обнаружив (с невысокой скоростью) первый поступивший жест, немедленно будет переведён в рабочее состояние и дальнейшие жесты определит уже с максимально возможной скоростью.

Для корректного обнаружения жестов, в соответствии с технической документацией производителя, датчик PAJ7620U2 должен быть размещён в конечном устройстве с правильной ориентацией по отношению к пользователю, как показано на рисунке 3. Ориентация датчика по отношению к сторонам света и полу некритична.

Если датчик в конечном устройстве ориентирован по отношению к пользователю иначе, чем показано на рисунке 3, то маски флагов прерывания и флаги прерывания от обнаружения жестов необходимо программно переотобразить.

Линии I²C_SCL, I²C_SDA шины I²C, а также выход прерываний INT производитель рекомендует в схеме конечного приложения «подтянуть» к напряжению VBUS с помощью резисторов сопротивлением 2,2 кОм.

Чтобы отслеживать обнаружение жестов, а также их идентифицировать, внешнее ведущее устройство использует соответствующие регистры PAJ7620U2. Флаги прерывания от обнаружения жестов содержатся в доступных только для чтения регистрах с адресами 0×43, 0×44 банка «0». Каждому флагу соответствует один разряд регистра. В регистре с адресом 0×43 все восемь разрядов значащие. Там содержатся флаги восьми жестов (в порядке убывания номера разряда): круговое движение против часовой стрелки, круговое движение по часовой стрелке, удаление (движение от датчика), приближение (движение к датчику), перемещение влево, вправо, вниз и вверх. В регистре с адресом 0×44 флагом обнаружения волнообразного движения является младший разряд 0 (МЗР). При обнаружении датчиком какого-то жеста его логика генерирует прерывание и автоматически устанавливает соответствующий флаг в соответствующем регистре флагов. Одновременно выход INT датчика переходит в низкий (активный) логический уровень. Сброс прерывания с автоматическим сбросом соответствующего флага и автоматической установкой выхода INT производится путём программного чтения регистра, содержащего установившийся флаг.

Все вышеперечисленные флаги прерываний могут быть замаскированы с помощью пары доступных для записи и чтения регистров с адресами 0×41, 0×42 банка «0». Их битовая структура повторяет битовую структуру регистров флагов с адресами 0×43, 0×44. Если какой-то разряд в регистре маски флагов установлен, может быть сгенерировано прерывание от обнаружения соответствующего жеста, а если сброшен – не может.

Чтение доступного только для чтения регистра с адресом 0×45 банка «0» возвращает текущее состояние датчика.

Составной доступный для чтения и записи регистр с адресами 0×67, 0×68 банка «1» содержит значение величины IDLE S1 step для задания фактора реакции S1 Response Factor согласно следующим формулам:

Составной доступный для чтения и записи регистр с адресами 0×69, 0×6A банка «1» содержит значение величины IDLE S2 step для задания фактора реакции S2 Response Factor согласно следующим формулам:

Составной доступный для чтения и записи регистр с адресами 0×6B, 0×6C банка «1» содержит значение величины OPtoS1 step для задания времени OPtoS1 time перехода от рабочего состояния в состояние Standby 1 согласно следующим формулам:

Составной доступный для чтения и записи регистр с адресами 0×6D, 0×6E банка «1» содержит значение величины OPtoS2 step для задания времени OPtoS2 time перехода от рабочего состояния в состояние Standby 2 согласно следующим формулам:

Необходимо заметить, что во время перехода из рабочего состояния в состояния Standby 1 и Standby 2 обнаружение жестов датчиком не производится.

При обнаружении датчиком PAJ7620U2 приближения/удаления (PS) внешнего объекта типичная частота мигания светодиода подсветки составляет 10 Гц, а типичное время его свечения за период – 8 мкс.

Обнаружение датчиком приближения/удаления обслуживается следующими регистрами. Запись в разряд 6 доступного для чтения и записи регистра с адресом 0×44 банка «1» позволяет задать текущее усиление при обнаружении приближения/удаления:

Флаг прерывания от обнаружения приближения/удаления содержится в разряде 1 доступного только для чтения регистра с адресом 0×44 банка «0». Это прерывание может быть замаскировано с помощью доступного для чтения и записи регистра с адресом 0×42 банка «0», имеющего такую же битовую структуру. Если разряд 1 в регистре маски флагов установлен, может быть сгенерировано прерывание от обнаружения приближения/удаления, а если сброшен – не может.

Механизм обнаружения датчиком приближения/удаления иллюстрируется сигнальной диаграммой, изображённой на рисунке 4. Как можно видеть из рисунка, необработанные («сырые») 8-разрядные данные приближения/удаления, содержащиеся в доступном только для чтения регистре с адресом 0×6C банка «0», сравниваются логикой датчика со значениями верхнего и нижнего порогов гистерезиса обнаружения приближения/удаления, задаваемыми пользователем в доступных для чтения и записи регистрах с адресами 0×69, 0×6A соответственно банка «0». По итогам сравнения разряд 0 (бит PS Approach) доступного только для чтения регистра с адресом 0×6B банка «0» принимает значение, указанное в таблице 2. Изменение состояния бита PS Approach означает детектирование приближения или удаления внешнего объекта. Такое детектирование вызывает автоматическую установку флага прерывания от обнаружения приближения/удаления. Одновременно выход INT датчика переходит в низкий (активный) логический уровень. Чем именно было вызвано данное прерывание – приближением или удалением – можно однозначно определить по состоянию бита PS Approach.

Прерывание от обнаружения приближения/удаления сбрасывается путём программного чтения регистра с адресом 0×44 банка «0». При сбросе этого прерывания происходит автоматическая установка выхода INT.

Окончание – в следующем номере.

Литература

1. www.pixart.com.tw/sensor.asp.
2. www.seeedstudio.com/wiki/File:PAJ7620U2_Datasheet_V0.8_20140611.pdf.
3. www.seeedstudio.com/wiki/Grove_-_Gesture_v1.0.
4. www.terraelectronica.ru/catalog_info.php?CODE=1210657.
5. www.olimex.com/Products/Modules/Interface/MOD-RS232/open-source-hardware.