Традиционные сенсорные приложения, такие как тачскрины, клавиши, слайдбары, чрезвычайно популярны. Их можно встретить в самых разнообразных устройствах: смартфонах, планшетах, фотоаппаратах, холодильниках, микроволновых печах, промышленных пультах, медицинских приборах и т.д. Такая популярность легко объяснима. Например, сенсорные панели заменяют собой множество механических переключателей, имеют высокую гибкость и просты в монтаже.
В резистивном сенсорном экране положение точки прикосновения определяется по изменению сопротивления. В емкостном экране место контакта вычисляется, исходя из измеренной емкости. Однако и резистивная и емкостная панель являются двухмерными системами, так как и в том и в другом случае речь идет об определении положения места касания на плоскости. В то же время потребители и производители начинают проявлять все больший интерес к трехмерным и псевдотрехмерным решениям, например, к системам распознавание жестов. Существует несколько вариантов построения трехмерной системы распознавания объектов, например, на базе ультразвуковых или оптических датчиков. Примером оптической системы являются модули zForce AIR от компании Neonode.
На самом деле принцип работы оптических датчиков zForce достаточно традиционен. Для обнаружения объекта используются передатчики и приемники инфракрасного света. Передатчик генерирует световые импульсы, которые, отражаясь, фиксируются фотоприемником (Рис. 1).
 |
|
| Рис. 1. | Принцип работы оптических датчиков zForce. |
Как известно, ячейка, включающая передатчик и приемник, позволяет определять только расстояние до объекта. Для обнаружения положения объекта в двухмерном пространстве необходима, как минимум, пара таких ячеек. Если же ставится задача одновременного распознавания нескольких объектов, потребуется еще больше сенсоров. Модули zForce AIR включают целую линейку однотипных чувствительных оптических ячеек, состоящих из передатчика, приемника и линз. Это позволяет им одновременно отслеживать множество объектов (Рис. 2). Более того, так как чувствительная область образована множеством световых пучков, с помощью модулей zForce AIR удается создавать сенсорную плоскость вблизи любой поверхности и даже без нее, что позволяет реализовывать двухмерные и псевдотрехмерные сенсорные приложения. Более подробно примеры использования модулей zForce AIR представлены в заключительной части статьи.
 |
|
| Рис. 2. | Оптические модули zForce могут распознавать несколько объектов. |
Рассмотренный оптический принцип обнаружения объектов достаточно хорошо известен, однако последнее поколение модулей zForce AIR вызывает интерес по другой причине. Дело в том, что модули zForce AIR представляют собой не простой набор датчиков, а именно законченное решение, включающее линейку оптических сенсоров (передатчик, приемник, линза), систему питания, управляющий процессор с ядром ARM Cortex-M4 и сопроцессор Neonode (Рис. 3).
 |
|
| Рис. 3. | Блок-схема оптических модулей zForce AIR. |
Особую ценность модулям zForce AIR добавляют алгоритмы распознавания объектов. Эти алгоритмы, выполняемые процессором и сопроцессором Neonode, помогают не только вычислять расстояние до объектов, но и одновременно отслеживать несколько объектов, компенсировать и фильтровать засветы от внешних источников, удалять артефакты от пыли и многое другое.
С конструктивной точки зрения модули zForce AIR представляют собой законченные корпусные блоки с выведенным краевым разъемом (Рис. 4). В настоящий момент номенклатура zForce насчитывает больше восьми десятков моделей, отличающихся размером чувствительной области и направлением излучения.
 |
|
| Рис. 4. | Внешний вид оптических модулей zForce AIR. |
Рабочая чувствительная область всех модулей zForce AIR определяется их длиной (Рис. 5). Самой компактной чувствительной областью обладают модули NNAMC0430PC01 и NNAMC0431PC01. Для них она составляет 43.2 × 14.9 мм. Самой большой зоной покрытия 345.6 × 208.5 отличаются модули NNAMC3460PC01 и NNAMC3461PC01.
 |
|
| Рис. 5. | Чувствительная область оптических модулей zForce AIR. |
Существует два типа исполнения модулей zForce: с прямым световым потоком (0° Type) и с угловым потоком (90° Type) (Рис. 6). Они отличаются направлением распространения света и позволяют оптимально размещать модуль в каждом конкретном случае.
 |
|
| Рис. 6. | Типы оптических модулей zForce AIR. |
Модули zForce работают под управлением внешнего микроконтроллера, процессора или ПК. Для этого используется 8-контактный краевой разъем. К услугам разработчиков предлагаются два доступных коммуникационных интерфейса: USB и I2C (Рис. 7).
 |
|
| Рис. 7. | Подключение оптических модулей zForce AIR. |
Так как речь идет о датчиках приближения, то естественно возникает вопрос о разрешающей способности, точности, частоте опроса. zForce способны распознавать объекты размером более 5 мм. Точность позиционирования для них составляет 5 мм для моделей с длиной менее 180 мм, и 7.5 мм для моделей с длиной более 180 мм.
Частота опроса является важной характеристикой любого датчика движения. Чем выше частота опроса, тем точнее можно отслеживать перемещения объектов. Модули zForce по умолчанию сканируют рабочую зону с частотой 100 Гц, однако максимальная частота зависит от конкретной модели (Рис. 8). Для самых больших моделей максимальная частота достигает 200 Гц, для самых компактных приближается к 900 Гц.
 |
|
| Рис. 8. | Частота опроса в оптических модулях zForce AIR. |
Стоит помнить, что частота опроса является важной характеристикой любого датчика еще и потому, что она напрямую определяет уровень потребления. Чтобы сократить потребляемую мощность, в модулях zForce AIR используется два рабочих режима:
- idle mode – спящий режим с частотой опроса 25 Гц. Используется в случае отсутствия объектов в поле зрения модуля;
- active mode – активный режим с частотой сканирования 100 Гц. Режим активируется только при обнаружении объектов.
Кроме частоты опроса на уровень потребления zForce AIR влияет размер модуля (так как от него зависит число оптических датчиков) и состояние коммуникационных интерфейсов (Рис. 9). Как видно из графика, для питания модуля будет достаточно даже порта USB.
 |
|
| Рис. 9. | Потребление оптических модулей zForce AIR. |
Теперь, когда рассмотрены основные особенности и модельный ряд оптических модулей zForce AIR, можно выделить их основные преимущества:
- Одновременное распознавание множества объектов;
- Возможность создания сенсорных приложений на любой поверхности и даже на открытом пространстве;
- Возможность создания не только двухмерных, но и псевдотрехмерных приложений;
- Готовое решение со встроенным программным обеспечением, с обработкой шумов, засветов и пыли;
- Готовый датчик приближения;
- Готовая система машинного зрения для роботов и механизмов.
Таким образом, оптические модули zForce могут применяться далеко за рамками традиционных сенсорных приложений: управление бытовыми приборами, автомобильные системы, роботы, механизмы и многое другое (Рис. 10).
 |
|
| Рис. 10. | Области применения оптических модулей zForce AIR. |
Для того, чтобы быстро ознакомиться с особенностями модулей zForce AIR, можно воспользоваться отладочным набором zForce AIR Evaluation Kit (Рис. 11). Этот набор включает: один датчик zForce AIR, одну интерфейсную плату с USB и I2C, переходной кабель.
 |
|
| Рис. 11. | Отладочный набор zForce AIR Evaluation Kit. |
Характеристики оптических датчиков zForce:
- Длина датчиков: от 43 мм (модели NNAMC0430PC01 и NNAMC0431PC01) до 346 мм (модели NNAMC3461PC01 и NNAMC3460PC01);
- Разрешение 0.1 мм;
- Точность позиционирования: <5 мм для моделей менее 180 мм, < 7.5 мм для моделей более 180 мм;
- Минимальный распознаваемый объект: 5 мм;
- Номинальное напряжение: 5 В;
- Диапазон рабочих температур: –20 … +65 °C.
О компании
Neonode – шведская компания, основанная в 2001 году и специализирующаяся на разработке и производстве оптических датчиков. В настоящий момент Neonode поставляет свою продукцию крупнейшим производителям в самых различных областях, например, Sony, Canon, Samsung, LG, HP, Epson, Amazon, LG, Bosch, Alpine and Autoliv.
Посмотреть более подробно технические характеристики оптических датчиков от Neonode
