一种基于TOF的手势数据传输识别控制电路的制作方法

一种基于tof的手势数据传输识别控制电路
技术领域
1.本实用新型涉及无线数据通信技术领域，是一种基于激光飞秒测距 tof(time of flight)的手势数据传输识别控制电路。


背景技术：

2.随着移动设备在生活中被广泛的应用，手势数据是继传统输入设备之后的一种新型的人机交互通信方式。一种高效的手势数据识别与传输方式具有重要的研究意义。
3.目前，手势数据传输识别方法主要有基于红外热电传感器、磁力传感器及摄像头来获取手势收据。红外热电传感器是通过感知空间温度变化从而进行手势数据识别，但环境温度对其影响较大，当温度变化小时准确率较低；磁力传感器是通过感知手指运动从而使磁场发生变化，进而进行手势数据识别，但在手上佩戴磁力传感器使用时有诸多不便，不利于推广；直接使用摄像头进行手势识别，该方法硬软件体系构造庞大，价格不匪，难以拓展应用到广泛的课堂教学等寻常场景。
4.因此，如何提供一种方便穿戴、功耗低、受环境影响小、集成度高的手势数据传输识别控制电路是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有手势数据传输识别技术中的缺陷和不足，本实用新型提供了一种基于tof的手势数据传输识别控制电路，可有效实现低功耗、抗干扰、实时性高、可穿戴的特点。
6.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
7.1.本实用新型主要由主板和底板构成，主板与地板之间通过排插(带有电源信号)进行连接，设计小巧，形成一种微型可穿戴装置。主板正面中间摆放按钮和光敏传感器，其周边平放三个tof传感器呈三角形状，底板背面携带可充电池，底板的正面是lora无线通信微模块和电源供应电路，主板反面以微控制器为核心的检测运算控制电路。
8.2.本实用新型可以通过主板上设计的按钮操控底板开关电路，实现系统持续供电与切断系统供电；以微控制器为核心的检测运算控制电路可以持续检测系统工作状态，当系统在10分钟内不工作时，微控制器发出控制信号实现切断系统供电，从而达到整个手势识别可穿戴装置的低功耗目标。
9.3.本实用新型的主板正面设有的光敏传感器，可以感知环境光变化，检测到的环境光信号作为输入信号，用于实现环境光自适应，提高其抗干扰能力。
10.4.本实用新型采用lora微模块进行手势数据无线传输，提高数据传输的距离和传输信号的抗干扰能力。
11.本实用新型，与现有技术相比，有益的技术效果是:
12.1.本实用新型电路集成度高、设计小巧，充分运用了微控制器内部集成的外设和接口，把外围元器件做到最少，整个系统主要由主板和底板构成，达到了完全便携穿戴；
13.2.本实用新型采用三个tof传感器片进行协同测距，从而实现简单的上、下、左、
右、点击等手势动作识别，测距时间短，识别精度高；
14.3.本实用新型采用低功耗设计，在设计供电电路时，加入了检测电路，当电路在10分钟之内不工作的时候，将会自动停止供电，起到节约用电的作用。
15.4.本实用新型采用了lora(long range radio)微模块进行手势数据无线传输，在同样的功耗条件下比其它无线方式传播的距离更远，抗干扰也更强，实现了手势数据传输低功耗、远距离、高可靠的统一。
16.5.采用光敏传感器，对阳光、白炽灯、日光灯、黑夜等典型环境变化进行检测，通过模数转换adc(analog digital converter)转换为电信号进行传输，实现环境光自适应。
附图说明
17.图1是本实用新型的总体结构原理图；
18.图2是本实用新型的主板电路图；
19.图3是本实用新型的底板电路图。
具体实施方式
20.下面结合本实用新型说明书附图对本实用新型的具体实施方法进行详细说明。此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
21.整体描述
22.如图1所示，本实用新型提供了一种基于tof的手势数据传输识别控制电路，包括主板和底板，底板用于为主板提供电源以及无线通信。其中主板包括微控制器mcu(microcontroller unit)、tof传感器(m1an、m1bn、m1)、环境光敏传感器、按钮k1a；底板包括usb接口p3、充供电芯片、可充电电池接入p4、开关电路、电源转换pd和lora模块m2。主板中的tof传感器(m1an、m1bn、m1)连接mcu的片内接口iic(内部集成电路inter
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integrated circuit)；底板中的usb接口p3、可充电电池接入p4分别与充供电芯片相连，且充供电芯片、开关电路、电源转换pd和lora模块依次相连接； p3和p4分别用于提供电源；充供电芯片用于通过p4给可充电电池充电及控制电路供电；电源转换pd与主板相连，用于给主板供电；lora模块与主板的mcu相连接，用于本实用新型的无线收发通信。主板和底板通过两侧设置的排插连成一体，排插同时传递电源与信号。
23.通过上述设计，本实用新型提供的手势数据传输识别控制，达到了电路简单，内部器件少，电路焊接简单，其中tof传感器m1an、m1bn和m1呈三角形平放布置，进行协同测距和运算分析，实现了上、下、左、右、点击等手势动作识别，不受外界环境及人为因素的干扰，便于快速获取准确数据。本实用新型采用了lora微模块进行手势数据传输，在同样的功耗条件下比其它无线方式传播的距离更远，实现了手势数据传输低功耗、远距离和高可靠的统一。本实用新型还设计了微型按钮电路，当电路在规定的时间内不工作的时，软件设计将会自动停止供电，起到节约用电的作用。
24.主板描述
25.参见附图2，主板电路包括微控制器mcu(为了电路展示方便、清晰，拆分为u1a、u1b、u1c和u1d四部分)、tof传感器(m1an、m1bn、m1)、场效应管(mn1、mn2)、电源转换pdn1、微型按钮k1a、电阻(r1、r2、r3、 r4、r5、r6、r7、rn1、rn2、rn3、rn4、rn5、rn6、rn7、rn8、rn9)、电
容(c1、c2、c4、c5、c6、c9、c16、c17、cn1、cn2、cn3、cn4、c9n、 c16n、c17n)、接口(p1、p2、pn1、pn2)、光敏传感器和晶体振荡器t1。
26.主板正面，中间放置按钮k1a，四周放置三个平放的tof传感器；主板反面放置mcu等所有电子元器件。
27.微控制器mcu(u1c)与三个tof传感器(m1、m1a、m1b)之间的iic连接(sck与sda)，分别采用了一个场效应管mn1和mn2，可以避免阻塞与信号干扰，达到2.8v信号与3.3v信号的平滑过渡。微控制器通过iic通信配合三个tof测距传感器获得原始数据。上拉3.3v电源的“驱动增强”电阻，m1c侧为rn6、rn5，传感器(m1、m1an、m1bn)侧为rn3、rn4。传感器使用的2.8v电源，由pdn1从3.3v电源转换而来，cn1、cn2完成pdn1 前端3.3v电源/地的滤波，cn3、cn4完成pdn1后端2.8v电源/地的滤波。 mcu(u1c)与各个tof传感器(m1、m1a、m1b)之间连接的其它控制/状态信号(中断int和控制xshut)，分别通过电阻r5、r6、r7、rn8、rn7、rn9 上拉到2.8v电源，以增强驱动能力。
28.r3和c1，接在3.3v电源和地之间，中间连接u1a的nrst端，构成微控制器mcu的复位电路。u1a的boot0端分别通过rn1和rn2连接3.3v 电源和接地，完成mcu的启动方式选择。r1、r2将u1a的pa13/jtms
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swd和pa14/jtck-swclk上拉到3.3v电源，u1a的pa13/jtms-swd和 pa14/jtck-swclk通过p1，实现mcu的仿真调试。p2连接u1a的 pa10/uart1rx和pa9/uart1tx，实现mcu的调试信息输出和生产时的程序下载。u1a的vdd、vdda连接3.3v电源，其gns、vss接地，3.3v电源和地之间连接的c5、c6、e1，实现mcu的退耦滤波。r4、c2、c4，构成晶体振荡电路，接入m1u的pd0/oscin和pd1/oscout。
29.u1d连接pn2，完成通过底板取电(3.3v电源和地)，并将底板usb差分信号d+、d1接入mcu的pa12/usbpm与a11/usbdm，还可通过mcu 的pa15控制底板断电进而实现低功耗。pn2的6、7端连接k1a，按下k1a，实现系统退出低功耗，并持续供电。供断电后续有详细说明。
30.pn1连接u1b，实现将底板的lora微模块信号接入mcu，通信方式可以是异步串行通信usart(universal synchronous/asynchronous receiver/ transmitter)或串行外设通信spi(serial peripheral interface)。
31.光敏传感器一端连接3.3v电压源，一端与u1c的片内外设adc相连。
32.底板描述
33.如附图3，底板电路包括lora微模块m2、充供电操控芯片chgrsdc、电感l1、电阻(r9、r10、r11、r12、r13、r14、rn1、rn2、rn3)、电容(c10、 c11、c12)、极性电容(e3、e4、e5、e6、e7、e8、e9)、场效应管m3、二极管(d1、d2、d3)、三极管q1、过流过压保护tvs1、精密电压源pr1、直流转换pd、电池接入p4、排插接口(p2n、pn3)、usb接口p3。
34.底板，背面放置电池，正面放置lora微模块和其它电子元器件。
35.e3、c10、e9连接在各处的3.3v电源和地之间。e8、c12连接5v电源和地。e7连接pr1、r13、q1、d2。m3一端与5v电源相连，一端分别与 pr1、r12相连。
36.usb接口p3，其vcc端与充供电芯片chgrsdc的in口相连，其d-与 d+构成差分信号，分别通过2个限流电阻rn3与rn2，进而通过pn3(主板 pn2)，连接主板mcu的片内usb(u1d)。
37.tvs1跨接在usb接口p3的vcc和地之间，作过流过压保护。
38.lora微模块m2的m0、m1、m2、rxd、txd、aux端，接入p2n即主板的pn1，进而接入主板mcu的u1b。
39.充供电操控chgrsdc芯片，其sw端与电感l1相连，其enb1、battery 端连接p4，其state/led端与p3的vcc引脚相连，其iset端与r10相连，其ep端接地。
40.供断电描述
41.可以通过底板的p3接口，连接充供电操控芯片chgrsdc，再通过p4给电池进行充电。系统5v电源，既可通过p4的电池放电，也可以由usb接口 p3在充电时直接供应。通过p4电池供电时，chgrsdc通过内部集成的升压稳压模块，会将低的电池电压升为5v电源为整个电路供电。
42.为实现可穿戴设备的低功耗，当传感器电路在10分钟内未工作时，由主板u1d的pa15口，通过相连的主板pn2和底板pn3，发送一个高电平,给底板，底板上连接pn3的三极管q1导通，致使与其相连的pr1失电，与pr1 相连的m3断开，pd无5v供电，3.3v电源消失。可通过按下主板上的微型按钮k1a，进而通过相连的主板pn2和底板pn3，底板pn3的7口通过5v的 6口得到5v电源，进一步通过底板的d3、r13,使pr1恢复电压源功能，从而再使底板的m3导通，底板的pd获得5v供电，其输出3.3v电源恢复，为整个电路供电。当开始供电后，3.3v电源又通过与底板的r14、d2连接底板的pr1，实现供电保持。