STM32F407+FDC2214傳感芯片的手勢識別設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)一個(gè)TI公司傳感芯片F(xiàn)DC2214的手勢識別裝置，配合硬件實(shí)現(xiàn)溫實(shí)現(xiàn)對猜拳游戲和劃拳游戲的判決功能。裝置具有訓(xùn)練和判決兩種工作模式。在判決模式下實(shí)驗(yàn)裝置能對指定人員進(jìn)行猜拳游戲和劃拳游戲的判決。這里猜拳游戲的判決是指對手勢比劃“石頭”、“剪刀”和“布”的判定，劃拳游戲的判定是指手勢比劃“1”、“2”、“3”、“4”和“5”的判定。在訓(xùn)練模式下能對任意人員進(jìn)行猜拳游戲和劃拳游戲的手勢訓(xùn)練，經(jīng)過有限次訓(xùn)練后，能進(jìn)行正確的猜拳游戲和劃拳游戲的手勢判決。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求：

1、裝置工作在判決模式下，能對參賽者指定人員進(jìn)行猜拳判決，給出手勢“石頭”、“剪刀”和“布”的準(zhǔn)確判決，要求每一次判決的時(shí)間不大于1秒。

2、裝置工作在判決模式下，能對參賽者指定人員進(jìn)行劃拳判決，給出手勢“1”、“2”、“3”、“4”和“5”的準(zhǔn)確判決，要求每一次判決的時(shí)間不大于1秒。

3、裝置工作在訓(xùn)練模式下，對任意測試者進(jìn)行猜拳的手勢訓(xùn)練，每種動(dòng)作訓(xùn)練次數(shù)不大于3次，總的訓(xùn)練時(shí)間不大于1分鐘；然后切換工作模式到判決模式，對被訓(xùn)練的人員進(jìn)行猜拳判決，要求每一次判決的時(shí)間不大于1秒。

本系統(tǒng)主要由主控板模版、感應(yīng)器模塊、人機(jī)交互組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

方案一：采用STC公司的IAP15W4K58S4芯片作為主控芯片，成本較低，對寄存器進(jìn)行編輯比較方便。

方案二：采用STC公司的STM32F407芯片作為主控芯片，性價(jià)比較高的32位機(jī)，擁有豐富的外設(shè)，優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能，從外設(shè)的兼容性以及響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。

由響應(yīng)的實(shí)時(shí)性為前提，綜合考慮選擇方案二。

方案一：感應(yīng)芯片采用TI公司的FDC2214非接觸式電容式傳感器。應(yīng)用：接近傳感器 、手勢識別、液位傳感器（包括清潔劑、肥皂液和油墨等導(dǎo)電液體）、碰撞避免、 雨、霧、冰、雪傳感器、汽車門及尾門一腳踢開傳感器、材料尺寸檢測。

方案二：感應(yīng)芯片采用TI公司的LDC1314非接觸式電感式傳感器 。應(yīng)用：按鍵旋鈕，流速計(jì)等。

從識別的靈敏度、準(zhǔn)確性以及軟件實(shí)現(xiàn)的難易程度，驗(yàn)證試驗(yàn)后選擇方案一。

方案一：采用按鍵控制和LED顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成不同模式選擇和識別結(jié)果反饋，結(jié)果便于觀察，程序簡單，操作簡單可靠。

方案二：采用3.2寸TFTLCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成不同模式選擇和識別結(jié)果的反饋，結(jié)果便于觀察，操作簡單方便。

從識別結(jié)果的可觀性和操作的方便性考慮，選擇方案二。

FDC2214是基于LC諧振電路原理的一個(gè)電容檢測傳感器。在芯片每個(gè)檢測通道的輸入端連接一個(gè)電感和電容，組成LC電路，被測電容傳感端與LC電路相連接，將產(chǎn)生一個(gè)振蕩頻率，根據(jù)該頻率值可計(jì)算出被測電容值，具體公式如下：

每個(gè)通信的數(shù)字化傳感器測量（DATAx）表示傳感器頻率與參考頻率之比。

FDC2112和FDC2114的數(shù)據(jù)輸出（DATAx）表示為16位結(jié)果的12MSBs：

         （1）

FDC2112和FDC2114的數(shù)據(jù)輸出（DATAx）表示為：

         （2）

利用FDC2214的工作原理可實(shí)現(xiàn)手勢接近和識別的功能，黃色部分稱為“FDC2214的傳感平面”，該平面為導(dǎo)體材質(zhì)，當(dāng)人手接近該導(dǎo)體傳感平面時(shí)，傳感端的電容發(fā)生了變化，這就會導(dǎo)致LC電路振蕩頻率的變化，從而反映出手勢接近，以及手勢的判定�；�于FDC2214實(shí)現(xiàn)手勢接近和判決的實(shí)驗(yàn)中存在如下的特征：傳感平面的面積越大、手勢與傳感平面的距離越小，感應(yīng)的頻率變化越大，系統(tǒng)會越靈敏，但同時(shí)也可能引入越多的噪聲。

具體電路圖如圖3-1-1所示：

圖3-1-1 FDC2214電路圖

  采用 STM32407作為 MCU，該芯片配置非常強(qiáng)大，它擁有的資源包括：集成 FPU 和 DSP 指令，并具有 256KB SRAM、1024KB，F(xiàn)LASH、 12 個(gè) 16 位定時(shí)器、 2 個(gè) 32 位定時(shí)器、 2 個(gè) DMA 控制器（共 16 個(gè)通道）、 6 個(gè) SPI、2 個(gè)全雙工 I2S、 1 個(gè) SAI、 3 個(gè) IIC、 8 個(gè)串口、 2 個(gè) CAN、3 個(gè) 12 位 ADC、 2 個(gè) 12 位 DAC、 1 個(gè) RTC、 1 個(gè) SDIO 接口、 1 個(gè) FMC 接口、1 個(gè) TFTLCD 控制器（LTDC）、以及 140 個(gè)通用 IO 口等，芯片主頻高達(dá) 180Mhz，輕松應(yīng)對各種應(yīng)用。主控板32F407的具體原理圖如圖3-2-1所示：

圖3-2-1 主控板32F407原理圖

    STM32F407 開發(fā)板板載的 LCD 模塊接口電路如圖 3-3-1 所示：

圖3-3-1 LCD原理圖

圖中 TFT_LCD 是一個(gè)通用的液晶模塊接口，采用 16 位 80 并口，也稱作 MCU 屏接口， LCD 接口連接在 STM32F429IGT6 的 FSMC總線上面，可以顯著提高 LCD 的刷屏速度。
   圖中的 T_MISO/T_MOSI/T_PEN/T_CS/T_SCK 連接在 MCU 的PG3/PI3/PH7/PI8/PH6 上，用于實(shí)現(xiàn)對液晶觸摸屏的控制。 LCD_BL 連接在 MCU 的 PB5 上，用于控制 LCD 的背光。液晶復(fù)位信號 RESET 則是直接連接在開發(fā)板的復(fù)位按鈕上，和 MCU 共用一個(gè)復(fù)位電路。

對于銅片的安裝方式有以下三種方式：

方案一：感應(yīng)芯片采用TI公司的FDC2214非接觸式電容式傳感器，使用FDC2214的一個(gè)測量通量外接一個(gè)20cm*20cm的銅板作為感應(yīng)裝置。

方案二：感應(yīng)芯片采用TI公司的FDC2214非接觸式電容式傳感器，使用FDC2214的四個(gè)測量通量外接四個(gè)8cm*8cm的銅板田字?jǐn)[放作為感應(yīng)裝置。  

方案三：感應(yīng)芯片采用TI公司的FDC2214非接觸式電容式傳感器，使用FDC2214的四個(gè)測量通量外接四個(gè)不同形狀銅板擺放在不同手勢變化明顯的區(qū)域作為感應(yīng)裝置。

由于本次課題中要進(jìn)行手勢識別，故在對應(yīng)手指的位置放置銅片作為感應(yīng)端，用于感應(yīng)對應(yīng)手指位置是否有手指伸出，但由于FDC2214只有四個(gè)通道，故決定適當(dāng)修改銅片形狀，用一塊銅片感應(yīng)食指與拇指。用感應(yīng)到的值的大小，識別只有食指伸出的情況還是食指和拇指同時(shí)伸出的情況，銅片具體位置如圖4-1-1所示。這些銅片充當(dāng)感應(yīng)電容，電容的一段，與FDC2214通道相連，實(shí)物如圖4-1-2所示。當(dāng)手指靠近銅片時(shí)會使電容值發(fā)生變化。在程序中設(shè)定閾值與變量a，若感應(yīng)值超過閾值則a++，否者為a=a；其中ch0的閾值設(shè)定為兩級，超過一級為a++，超過兩級為a=a+2，否者a=a。“石頭、剪刀、布”判定具體表格如表4-1-4所示，手勢“1、2、3、4、5”判定表格如表3-1-5所示。

圖4-1-1 銅片的具體位置                     圖4-1-2 FDC2214實(shí)物圖

表4-1-4 “石頭、剪刀、布”判定表格

表4-1-5 手勢“1、2、3、4、5”判定表格

本次課題采用TI公司的FTC2214模塊和四個(gè)自制的感應(yīng)銅片，其中感應(yīng)銅片對應(yīng)手指位置進(jìn)行擺放固定，四個(gè)通道的走線皆是順著指尖方向走線并盡量分開，減少線與線、線與銅片之間的干擾，以及手掌部分的影響。

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用的是STC公司的STM32F407芯片，通過FDC2214讀取各通道的值，并進(jìn)行處理，把處理后的值傳到TFTLCD觸摸屏上顯示，完成初始值的測定的功能，訓(xùn)練模式的功能，識別模式的功能，并將最終識別結(jié)果傳到電容屏上顯示。具體過程如圖4-2-1所示。

圖4-2-1 主控板流程圖

最后確定程序流程如圖4-2-2所示：

圖4-2-2 程序流程圖

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用TFTLCD觸摸屏，用手觸摸觸摸屏上不同位置實(shí)現(xiàn)各個(gè)模式的切換，并在相應(yīng)位置顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，將識別結(jié)果顯示在電容屏上。本設(shè)計(jì)采用3.2寸TFTLCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，由于此次課題進(jìn)行手勢識別過程中有初值感應(yīng)，實(shí)時(shí)測量，工作模式選擇，以及顯示四個(gè)通道的處理后的表征值，要給出識別結(jié)果，故對3.2寸TFTLCD觸摸屏進(jìn)行分區(qū)實(shí)現(xiàn)上述功能。實(shí)現(xiàn)后如圖4-3-1所示。

圖4-3-1 TFTLCD觸摸屏

最終全系統(tǒng)如圖4-3-2所示：

圖4-3-2 全系統(tǒng)流程圖

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用的是FDC2214，其是一款28位高分辨率的非接觸式電容式傳感器，十分敏感，會感應(yīng)到很多噪聲，故對四個(gè)通道測量值進(jìn)行快速排序和均值濾波處理，每次測量30次，每次間隔10毫秒，形成一個(gè)容量為30的數(shù)組，運(yùn)用快速排序算法，對30次的值進(jìn)行排序，去除最小5個(gè)值和最大的五個(gè)值，再取均值作為讀取值后進(jìn)行比較。

要求：裝置工作在判決模式下，能對參賽者指定人員進(jìn)行猜拳判決，給出手勢“石頭”、“剪刀”和“布”的準(zhǔn)確判決，要求每一次判決的時(shí)間不大于1秒。

實(shí)驗(yàn)步驟：

• 在測試環(huán)境下點(diǎn)擊ready，設(shè)定測試環(huán)境下的零輸入響應(yīng)。
• 選擇猜拳模式，點(diǎn)擊guessing。
• 點(diǎn)擊judge就可以變換手勢進(jìn)行判斷，識別手勢。
  

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：具體過程如圖5-1-1所示。

要求：裝置工作在判決模式下，能對參賽者指定人員進(jìn)行劃拳判決，給出手勢“1”、“2”、“3”、“4”和“5”的準(zhǔn)確判決，要求每一次判決的時(shí)間不大于1秒。

實(shí)驗(yàn)步驟：

• 在測試環(huán)境下點(diǎn)擊ready，設(shè)定測試環(huán)境下的零輸入閾值。
• 選擇劃拳模式，點(diǎn)擊number。
• 點(diǎn)擊judge就可以變換手勢進(jìn)行判斷，識別手勢。
  

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：具體過程如圖5-2-1所示。

要求：裝置工作在訓(xùn)練模式下，對任意測試者進(jìn)行猜拳的手勢訓(xùn)練，每種動(dòng)作訓(xùn)練次數(shù)不大于3次，總的訓(xùn)練時(shí)間不大于1分鐘；然后切換工作模式到判決模式，對被訓(xùn)練的人員進(jìn)行猜拳判決，要求每一次判決的時(shí)間不大于1秒。

實(shí)驗(yàn)步驟：

• 在測試環(huán)境下點(diǎn)擊ready，設(shè)定測試環(huán)境下的零輸入閾值。
• 點(diǎn)擊training,將測試者的全部手掌放在指定區(qū)域,而后點(diǎn)擊OK，設(shè)定全輸入響應(yīng)閾值，然后點(diǎn)擊finish結(jié)束訓(xùn)練。
• 選擇猜拳模式，點(diǎn)擊guessing。
• 點(diǎn)擊judge就可以變換手勢進(jìn)行判斷，識別手勢。
  

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：具體過程如圖5-3-1所示。

要求：3、裝置工作在訓(xùn)練模式下，對任意測試者進(jìn)行劃拳的手勢訓(xùn)練，每種動(dòng)作訓(xùn)練次數(shù)不大于3次，總的訓(xùn)練時(shí)間不大于1分鐘；然后切換工作模式到判決模式，對被訓(xùn)練的人員進(jìn)行劃拳判決，要求每一次判決的時(shí)間不大于1秒。

實(shí)驗(yàn)步驟：

• 在測試環(huán)境下點(diǎn)擊ready，設(shè)定測試環(huán)境下的零輸入閾值。
• 點(diǎn)擊training,將測試者的全部手掌放在指定區(qū)域,而后點(diǎn)擊OK，設(shè)定全輸入響應(yīng)閾值，然后點(diǎn)擊finish結(jié)束訓(xùn)練。
• 選擇劃拳模式，點(diǎn)擊number。
• 點(diǎn)擊judge就可以變換手勢進(jìn)行判斷，識別手勢。
  

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：具體過程如圖5-3-1所示。

經(jīng)過4天3夜的努力，我組手勢傳感器成功完成了預(yù)想的目標(biāo)。通過這次比賽，我們對于工程設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步的理解，動(dòng)手能力也得到了提升。其實(shí)，一個(gè)隊(duì)伍的成功，不僅僅是個(gè)人能力的體現(xiàn)，更是小組內(nèi)人員相互配合支持的結(jié)果。這次比賽，教會了我們合作的重要性，提高了我們共同糾錯(cuò)的能力。不管結(jié)果如何，我們都收獲了許多。提升自我能力，這或許才是比賽的真正目的。不忘初心，方得始終。

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2018-12-17 16:02 上傳

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