摘要：相比传统的按键控制，通过手势控制汽车电动天窗、电动遮阳帘开闭，可以增强汽车驾驶的交互性能，提高汽车行驶安全性。因此，文章提出了采用反射型红外光耦感知，微型控制器进行信号识别的方案，设计并制作了相应的电动天窗和遮阳帘手势识别模块，该模块利用BF7112A微型控制器，实时采集四路光电二极管的通断信号，根据这些信号的变化过程，识别手势的动作方向，从而控制天窗和遮阳帘相应动作。通过实验显示，该模块对手势动作的单次识别准确度达到90%以上，达到了实际应用要求。
经历了2020年缺芯潮后，国内的一些汽车零部件供应商更加关注产品供应链自主可控，在产品开发时，对电子控制单元上的微型控制器（Microcontroller Unit, MCU）更倾向于选用本土制造的产品。在外部环境上，得益于我国市场对车规级MCU的巨量需求，国产MCU蓬勃发展，众多厂商在车规级MCU的不同应用领域积极布局，很多产品已批量上市，这给产品设计时MCU的选型提供了多个选项[1]。因此，在一些汽车零部件的迭代升级过程中，采用国产MCU作为主控器，与芯片供应商形成稳定的合作关系，对企业的长远发展意义重大。
根据企业的产品规划，需要在现有的按键式顶灯总成控制电路基础上，开发一款低成本的电动天窗和遮阳帘手势识别模块，实现对天窗、遮阳帘的手势控制。
电动天窗手势识别模块要求系统能够识别驾乘人员不同的挥手动作，以实现对电动车窗、电动遮阳帘的控制。目前，随着汽车智能座舱技术的发展，手势交互多通过摄像头，利用机器视觉技术来实现[2-3]，但这些技术都需要依靠计算机操作系统支持，很多是依靠汽车整体智能座舱系统来实现，产品成本较高，通常应用于一些高端乘用车，与一般车辆电动天窗上应用的按键独立控制装置较难融合。而采用车规级近程传感器[4]，除了成本高外，还与识别模块后续规划的按键触摸功能相冲突，会引起误触发，增加信号识别的难度。还有一些专用的手势传感器[5]在普通电子消费品上应用较广，但满足车规级要求的产品很少，价格也比较贵。
因此，根据公司的产品成本定位和功能规划要求，选择了由红外光电传感器采集信号和单片机组成系统的方案，将比亚迪公司的BF7112A微处理器作为识别模块的控制单元。由于未找到价格合适且满足车规要求的手势传感器，故选择车规级的红外发光管和红外光电二极管[6]，用分立元件搭建四对反射型光耦及其信号处理电路，呈十字形分布，布置在识别模块电路板的四边，整个模块嵌入到顶灯总成中间的窗口中，并留有一路通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter, UART）接口，与顶灯总成已有的控制单元进行通信。模块的功能结构如图1所示。
图1 模块的功能结构
识别模块的控制器选用比亚迪的BF7112A，该控制器是一款基于标准8051指令流水线结构的8位通用型车规级MCU，工作频率为24 MHz，包含32K字节的随机存储器（Random Access Memory, RAM）、256字节（内部）+768字节（外部）的静态随机储存器（Static Random Access Memory, SRAM）存储单元，支持2K字节的电气可拭除可编程只读存储器（Electrically Erasable Program- mable Read Only Memory, EEPROM），最大封装支持25个双向输入/输出口。该款MCU提供了丰富的功能模块，主要如下：
1）两路可单独配置的16位脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）；
2）4个16位定时器，具有溢出中断，并且其中的定时器3既可使用MCU的内部时钟，也可使用外部晶振时钟，以应用在一些时间控制要求很精确的场合；
3）3个外部中断，其中外部中断0和1有低电平、高电平、上升沿、下降沿四种中断方式可选。外部中断2支持上升沿、下降沿两种中断方式；
4）提供低电压检测中断，当电源电压下降到3.8 V时，即触发中断；
5）2路8051标准UART通信；
6）1路IIC硬件从机，支持标准IIC通信和快速IIC通信等。
该单片机的一个重要特点为I/O端口可以配置成电容按键输入，最多可以配置23路，各路按键的灵敏度可独立控制。
根据设计的功能要求，当需要对电动车窗、遮阳帘进行操作时，驾乘人员在传感器前挥手即可触发四只红外光敏电路产生脉冲信号，将这四路信号引入到MCU的数字量输入端口和逻辑芯片74LV32A的输入端口，经过或运算后接到MCU外部0号中断的输入引脚。四只光耦的红外发光二极管（Light Emitting Diode, LED）采用一片ULQ2003驱动芯片，由MCU独立控制每只红外LED的通断。模块的主要硬件电路如图2所示。
图2 模块的硬件电路
驾驶员坐在驾驶座椅上抬手至顶灯总成前，做电动天窗、遮阳帘控制手势时，手与顶灯总成自然且舒适的距离通常为5～15 cm，一般不超过20 cm，因此，将红外光耦的最大感应距离设计在距顶灯总成面板约20cm的位置，当超过这个距离时手势感应电路一般不做响应。
MCU芯片供货商给用户提供了基于keil C51软件进行BF7112A控制程序开发的完整工程文件，在这个C语言的工程文件中，MCU外设的配置在BF7112A_API.h中进行，可以根据文件中的注释，对MCU内部各模块的功能进行预编译配置，具体应用的控制代码建议在Project.c文件中添加，这样方便整个项目文件的组织和管理。
在本项目中，每只红外LED的工作电流配置在80 mA左右，四只二极管工作时，就到达300 mA以上，是一个较大的功率消耗。为减小整个识别模块的能耗，采用占空比为10%的PWM波形式控制红外LED的导通，一旦感应到顶灯总成前后物体，则转换为常通模式。由MCU读出四路红外光敏电路的输入信号，经过逻辑判断后，确定手势的移动方向，从而识别出驾乘人员对天窗和遮阳帘的操作意图，并发出200 ms的低电平脉冲信号到天窗电机驱动模块相应引脚上。控制程序的主流程图如图3所示。
图3 控制程序流程
控制代码通过BYD 8位MCU专用USB调试烧录器下载到BF7112A后，对模块的手势识别正确率进行了测试。为了便于观察，在模块的四路输出端口，接上LED灯指示电路，如图4所示。
图4 模块功能测试
实验时，手在控制板上方10 cm位置挥动，从上往下为打开天窗，从下往上是关闭天窗，从左往右是打开遮阳帘，从右往左是关闭遮阳帘，手掌暂停在控制板上方为暂停当前的动作。打开和关闭的动作每个设计是50次，经过三百多次的挥手测试，模块对驾驶员不同运动特点的手势动作，单次识别准确度达到90%以上（见表1）。测试中，第一次未正确识别，第二次准确识别，识别距离合适，对超过20 cm的手势动作，未触发模块动作。
表1 手势识别准确率统计
经过本项目的开发，比亚迪的BF7112A芯片完全能满足车身上一般电器的控制要求，应用起来很方便。MCU内部丰富的功能模块简化了控制电路的设计，降低了模块的成本，特别是电容触摸按键输入功能，每路按键灵敏度都可以独立配置，且可以通过专用USB调试烧录器在其上位机调试烧录图形界面中直观显示，这也是当初选型这款MCU的原因之一，可用于后续将顶灯控制换成电容触摸按键的控制板开发。
参考文献
[1] 编辑部.车规级MCU,智能新能源“芯”突破[J].汽车与配件,2022(19):50-55.
[2] 黄俊,邓敏,吕能超.智能座舱多模态人机交互研究现状分析[C]//中国科学技术协会,交通运输部,中国工程院,湖北省人民政府.2023世界交通运输大会(WTC2023)论文集(下册).武汉:武汉理工大学智能交通系统研究中心,武汉中交交通工程有限责任公司,2023:892-895.
[3] 徐彬.手势控制技术在汽车上的应用[J].汽车维护与修理,2016(4):77-82.
[4] 高明亮,陈明月.手势识别系统的研究与实现[J].山西电子技术,2023(3):87-89.
[5] 刘成涛,郭帅.基于手势识别的智能小车无线控制系统设计[J].现代电子技术,2023,46(16):182-186.
[6] 涂少碧.汽车智能座舱内部的“传感之道”[J].电子产品世界,2021,28(6):25-27.
