Berührungslose Eingabe: Gestenerkennung bei Annäherung

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ELMOS Semiconductor SE

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Mit einem speziellen IC-Baustein lassen sich Eingaben ohne direkte Berührung vornehmen und gleichzeitig die Annäherung erfassen. Das Modul arbeitet nach dem HALIOS-Verfahren.

Gerade in Zeiten des erhöhten Hygiene-Bedürfnisses ist eine Funktion bei einem Bedienterminal wichtig: die Annäherungserkennung. Das Terminal wird erst aktiv, wenn ein Bediener davor steht. Im Ruhemodus spart das Gerät zudem Energie. Gesteuert wird das Terminal über einfache Wischbewegungen von links nach rechts oder auch von oben nach unten (und vice versa).

Eine Eingabebestätigung ohne eine Berührung des Terminals wird durch kurzes Verweilen der Hand vor dem Sensor ausgeführt. Allerdings stellen diese vermeintlich einfachen Funktionen hohe Anforderungen an die Robustheit gegen Umgebungslicht und thermische Einflüsse.

Die Anforderungen an das Sensor-System

Möglich ist außerdem eine reine Annäherungsfunktion kombiniert mit einer aktiven Transponderkontrolle – alles integriert in einem standardisierten Wandschalter-Gehäuse. Trägt der Besucher den entsprechenden Transponder bei sich, wird die entsprechende Tür automatisch geöffnet. Weitere mögliche Anwendungen sind Displaysteuerungen, Bedieneinheiten oder Wasserspender. Abhängig von der Applikation ergeben sich spezielle Anforderungen an das Sensor-System. Dazu gehören Eigenschaften wie geringer Stromverbrauch, große Reichweite, Fremdlichtunabhängigkeit und minimale Baugröße.

Weitere Faktoren sind die Anbindung an das nachfolgende System, die Anwenderfreundlichkeit (speziell für die Entwickler) und schlussendlich der Preis. Das Unternehmen Elmos bietet mit seinem IC-Baustein E909.21 die Grundlage für häufig geforderte Faktoren. Hier fällt das Stichwort HALIOS – High Ambient Light Independent Optical System. Mit diesem Prinzip verbaut in einem kleinen Ready-to-Go-Modul kann der Anwender seine gewünschte Applikation starten.

Wie das HALIOS-Prinzip im Detail funktioniert

Das HALIOS-Prinzip basiert auf einer Schaltung, die zwei zueinander um 180° phasenverschobene Rechtecksignale vergleicht. Jedes dieser Signale wird durch eine separate IR-LED jeweils optisch generiert und mit einer Fotodiode wieder aufgenommen. Diese beiden Signale haben unterschiedliche Funktionen. Ein optisches Signal (Phase A) wird direkt auf das zu messende Objekt gesendet und durch dessen Reflexion gelangt ein Teil davon wieder zurück in die Fotodiode. Das wäre eine klassische reflektive Lichtschranke.

Zusätzlich gibt es aber eine zweite Lichtstrecke, die sogenannte Referenz- bzw. Kompensationsstrecke. Hierbei wird ein optisches Signal in Phase B (180° zu Phase A) auf direktem Weg in die Fotodiode gesendet und unterliegt dadurch keiner Beeinflussung des zu messenden Objektes.

Beide Signale sind jeweils beispielsweise mit 250 kHz getaktet und werden durch einen Eingangsverstärker getrennt voneinander integriert und anschließend subtrahiert. Ein nachgeschalteter Demodulator vergleicht am Ende beide Signale und gibt als Ergebnis weiter, welches Signal größer ist. Dadurch ist das gesamte System unempfindlich gegen Umgebungslicht, Temperaturschwankungen und Alterungsprozesse.

Weiterhin haben sowohl kapazitive als auch magnetische Störfelder keinen Einfluss, womit der finale Sensor im Zusammenspiel mit diversen anderen Systemen problemlos verbaut werden kann. Beispiele sind kapazitive Touchfelder oder Magnetschalter.

Sensor kalibriert sich automatisch

Ein großer Vorteil: Mit der HALIOS-Regelung lässt sich das Nutzsignal nahezu unbegrenzt verstärken. Das Signalrauschen als limitierender Faktor wird in einer Art Mittelung der Rausch-Amplitude stark reduziert. So können selbst kleinste, empfindliche Signale störungsfrei verarbeitet werden.

Durch bereits integrierte Kalibrierroutinen wird der Sensor bei Bedarf automatisch nachgeregelt, um stets in dem für die jeweilige Anwendung besten Arbeitspunkt zu agieren. Der zuständige Algorithmus arbeitet unauffällig im Hintergrund. Dadurch ergeben sich verschiedene Einsatzgebiete, sowohl in geschlossenen Räumen als auch im Freien. Die Positionierung hinter Glasscheiben, Plastikverkleidungen als Design- oder Schutzabdeckung sowie alle licht- bzw. Infrarot-durchlässigen Materialien sind kein Problem.

IC ist völlig immun gegenüber Umgebungslicht

Wesentliche Vorteil des IC-Bausteins E909.21 im Vergleich zu Mitbewerbern: Er ist absolut immun gegenüber Umgebungslicht. Einfallendes Sonnenlicht, Straßenlaternen, Neonreklame und die eigene Beleuchtung des Displays selbst haben, ebenso wie Temperaturschwankungen, keinen störenden Einfluss. Verschmutzungen, Kratzer und Regentropfen auf der Bedienoberfläche sind, durch die eigenständige Nachregelung der Sensitivität zu vernachlässigen. Eine nicht ausregelbare Störquelle, beispielsweise ein Kaugummi direkt über dem optischen Sender, wird zudem direkt erkannt und kann als Störungsmeldung ausgegeben werden.

Der im Chip integrierte Mikrocontroller und der intern zugehörige Flash-Speicher sowie das analoge HALIOS-Frontend sind so angeglichen und vorprogrammiert, dass alle notwendigen Daten generiert und über standardisierte Schnittstellen wie SPI oder I²C zur Verfügung gestellt werden. Der Anwender muss lediglich seine eigene Applikation durch diese Sensorsignale steuern.

HALIOS wird schon seit dem Jahr 2012 in vielen Fahrzeugen des VW-Konzerns sowie weiteren OEMs mit sehr gutem Kundenfeedback verwendet. Daneben hat Elmos schon millionenfach einen Regensensor auf optischem Prinzip basierend inklusive HALIOS-Technik für den Automobilbau geliefert und erfüllt die hohen Anforderungen.

Kompakte Sensor-Einheit

Um die Entwicklung der zugehörigen optischen Elemente für die potenziellen Anwender noch weiter zu vereinfachen, wurde der Baustein E909.21 in einer passenden optischen Einheit aus drei IR-Sende-LEDs, eine IR-Kompensations-LED und eine Fotodiode zusammen mit einer abgestimmten Linsenstruktur integriert und in einem kleinen Gehäuse verbaut. Unter der Bezeichnung µModule ist der Sensor sofort in seiner Applikation einsatzbereit und muss nur an der entsprechenden Position verbaut werden. Bei einer Reichweite von 300 mm deckt das µModule einen Erkennungsbereich von ungefähr 200 mm im Durchmesser ab.

Dank langjähriger Erfahrung und viele Studien mit Kunden wurden die wichtigsten Parameter und der zugehörige Erkennungsraum festgelegt und umgesetzt. Das Ergebnis ist ein sogenannter One Spot Sensor, da dieser aus einem kleinen Punkt heraus alle Funktionen abdeckt. Diese Entwicklung benötigt wenig Bauraum und eignet sich für Bedienanwendungen im Point of Interest (POI). Sobald ein Anwender in den Sensorbereich eintaucht, wird beispielsweise ein zugehöriges Menü aufgeklappt.

Sensor-Modul für neue Konstellationen

In diesem Menü lassen sich durch diverse Gesten verschiedene Funktionen auswählen. Durch eine Wischgestik kann der Anwender eine Vorauswahl treffen, die aus verschiedenen Aktionen in der Anwendersoftware hinterlegt sind. Die final gewählte Funktion wird durch ein kurzes, ruhiges Verweilen bestätigt und die hinterlegte Aktion wird ausgeführt.

Sollte ein einzelnes Sensor-Modul nicht ausreichen, können mehrere Module in einer Art Schwarm verbunden werden. Hierbei ergeben sich viele neue Konstellationen und Anwenderfreiheiten. Selbst großflächige Displays können nahezu nahtlos abgedeckt werden.

Das µModule mit der integrierten HALIOS-Technik bieten wichtige Vorteile: Neben der erwähnten Immunität gegenüber Fremdlicht sind das unter anderem Temperatur- und Alterungs-Immunität, aktive Nachregelung und damit keine Beeinträchtigung durch Kratzer und eine automatisierte Arbeitspunktfindung.

Durch diese Vorteile kann eine Applikation aufgebaut werden, die eine stabile Gestenerkennung über die gesamte Laufzeit erreicht, die in Echtzeit die Bewegungen erkennt und umsetzt, dauerhaft, aber dennoch stromsparend aktiv ist (Always-on) und auch robust gegen widrige Einflüsse oder Beschädigungen ist.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 24/2020 (Download PDF)

Gestensteuerung und die Annäherung erfassen

Mit dem Baustein IC E909.21 lassen sich hygienische Gestensteuerungen und eine Annäherungserfassung aufbauen. Durch den starken Fokus auf eine direkte Integration durch den Anwender, vor allem durch den integrierten Mikrocontroller, das vor­programmierte Frontend und ein Standard-Interface, können erste Demonstratoren schnell aufgebaut werden.

Das µModule geht noch einen Schritt weiter und vereint alle notwendigen Komponenten für einen unkomplizierten Applikationsaufbau – als eine Plug-and-play-Anwendung. Die Reproduktion des Moduls ist einfach, da alle zugehörigen Angaben zum Aufbau bereits digital bereitstehen. Der passende Software-Code, welcher final einmal eingespielt werden muss, gehört zum µModul dazu. Eine anwenderspezifische Software, die auf der finalen Zielplattform läuft, ist stark kundenabhängig. Hier kann vom Hersteller ein umfangreicher Support gegeben werden.

IC-Baustein erkennt berührungslos Gesten

Worauf beim Design-In eines kapazitiven Bedieninterfaces zu achten ist

* Bernd Berger arbeitet bei Mechaless Systems GmbH in Bruchsal, ein Unternehmen der Elmos Gruppe.

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