Senzor přiblížení a detekce ucha u čtecího pera: Jak IR proximity snižuje zvukovou latenci o 22 % v OEM OID perech

Cílová skupina: OEM/ODM produktoví manažeři a audio firmware inženýři integrující snímání přiblížení do čtecích per pro děti, studenty ESL a aplikace péče o seniory. Cílová skupina: Majitelé značek, kteří zadávají výrobu privátních labelů čtecích per a chtějí se odlišit chováním zvuku – například automatickým přepnutím na sluchátkový reproduktor, když pero zvednou k uchu.

Dítě zvedne čtecí pero k uchu, aby si poslechlo šeptaný příběh. Během 90 milisekund přesměruje reproduktor zvuk ze zadního hlasitého reproduktoru na malý přední sluchátkový reproduktor, zesilovač hlasitého reproduktoru se ztlumí a křivka hlasitosti se přepne z režimu „reproduktor“ do režimu „sluchátko“. To není stisknutí tlačítka. Je to práce infračerveného senzoru přiblížení zabudovaného v přední straně pera, který sleduje odrazový profil lidské kůže. V tomto článku vysvětlíme architekturu senzoru přiblížení čtecího pera, algoritmus detekce ucha, důsledky směrování zvuku a kvalifikační data EMC a ESD, která jsme shromáždili z více než 47 000 dodaných jednotek od roku 2023.

1. Proč senzor přiblížení na čtecím peru

Původní model UX čtecího pera předpokládal, že dítě vždy poslouchá přes hlasitý reproduktor. To fungovalo ve třídě, ale selhávalo ve třech běžných scénářích:

1. Čítárna v knihovně, kde zvuk z hlasitého reproduktoru ruší ostatní návštěvníky.
2. Dítě se sluchovou citlivostí, které potřebuje zvuk přímo u ucha.
3. Třída ESL, kde chce učitel, aby student poslouchal bez reprodukce do okolí.

Přidání 3,5 mm sluchátkového jacku byla zřejmá odpověď, ale sluchátka představují riziko udušení pro děti do 3 let, zamotávají se a snadno se rozbijí. Sluchátkový reproduktor řízený senzorem přiblížení umožňuje peru dodávat soukromý zvuk bez jakéhokoli příslušenství.

2. Architektura senzoru: VCSEL + fotodioda s výstupem I2C

Používáme modul 3,0 mm × 2,0 mm × 1,0 mm obsahující 940 nm VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) emitor a odpovídající fotodiodu s integrovaným analogovým front-endem. VCSEL vyzařuje 1,8 mW optického výkonu v 16 impulsních dávkách na měřicí cyklus. Fotodioda integruje odražený signál v 8 µs oknech.

Výstup I2C hlásí 12bitovou hodnotu přiblížení od 0 (žádný objekt) do 4 095 (velmi blízký objekt). Dosah je továrně kalibrován na 50 mm s 5 mm ochranným pásmem.

Senzor je umístěn na přední straně pera, 12 mm nad OLED indikátorem a 8 mm napravo od objektivu kamery. Optické okno je stejný polykarbonátový díl, který se používá pro senzor okolního světla (viz TC-093 reading pen ambient light sensor and auto brightness).

3. Algoritmus detekce ucha

Surové hodnoty proximity jsou zašuměné, protože senzor zachycí odrazy od krytu, dětské ruky a okolních předmětů. Používáme třístupňový algoritmus:

1. Mediánový filtr přes 5 vzorků (odstraní jednorázové špičky způsobené procházejícím prstem).
2. Test odrazivosti kůže — algoritmus kontroluje poměr IR odrazivosti na blízkou vzdálenost oproti IR odrazivosti na 60 mm. Lidská kůže má díky podpovrchovému rozptylu krve charakteristickou křivku IR odrazivosti.
3. Časový zámek — jakmile je režim ucha aktivován, algoritmus se na 1,2 sekundy uzamkne, aby nedocházelo k rychlému přepínání při držení pera u ucha a jeho mírném chvění.

Test odrazivosti kůže snižuje falešné spouštění o 96 % ve srovnání s jednoduchým prahovým detektorem. Míru falešného spouštění jsme naměřili na 0,4 % na 12 000 simulovaných pohybech ruky v naší laboratoři, oproti 11,2 % u původního algoritmu s pouhým prahem dodávaného ve firmwaru 1.4.x.

Pro zákazníky s privátní značkou, kteří chtějí detekci ucha vypnout — například čtecí pero v režimu kiosku v muzeu — je tato funkce řízena přepínačem v době kompilace a konfiguračním bitem za běhu. Můžeme dodat pero se senzorovým hardwarem přítomným, ale algoritmem deaktivovaným, což stojí 0,04 USD navíc v BOM.

4. Směrování zvuku a přepínání zesilovače třídy D

Čtecí pero obsahuje audio zesilovač třídy D (viz TC-024 reading pen Class D audio amplifier design) budící dva výstupy:

1. 1,5 W reproduktor směřující dozadu pro poslech na stole.
2. 120 mW sluchátko směřující dopředu pro režim poslechu u ucha.

Když je režim ucha aktivován, firmware provede čtyři akce za 86 ms:

1. Nastaví výstup audio kodeku na cestu ke sluchátku.
2. Sníží hlasitost z křivky reproduktoru (max. 1,5 W do 4 Ω) na křivku sluchátka (max. 120 mW do 32 Ω).
3. Ztlumí zesilovač reproduktoru aktivací pinu MUTE.
4. Aplikuje HRTF-podobný prostorový filtr pro kompenzaci frekvenční odezvy sluchátka.

Latence end-to-end od „pera u ucha“ k „zvuku ve sluchátku“ je 86 ms, což je o 22,4 % rychlejší než 110 ms latence předchozího návrhu, kde byla audio cesta řízena hardwarovým tlačítkem mute. Snížení latence připisujeme odstranění debounce prodlevy a manuálního stisknutí tlačítka.

Tip pro kupujícího: Při porovnávání konkurenčních čtecích per se ptejte na latenci detekce ucha v milisekundách. Cokoli nad 150 ms bude pro dítě působit opožděně a vytvoří dojem „nefunkčního“ zvuku.

5. Spotřeba energie a vliv na baterii

Senzor přiblížení odebírá 18 mA během 8 µs měřicího pulzu a 1,2 µA v nečinnosti. Při 30 Hz frekvenci měření je průměrný proud 1,8 µA z 3,3 V napětí, tedy 6 µW nepřetržitě. Ve srovnání s klidovým proudem zesilovače reproduktoru 4 mA je příspěvek senzoru zanedbatelný.

Když je však aktivní režim sluchátka, odebírá zesilovač 24 mA místo 4 mA v nečinnosti, takže čistá spotřeba činí +18 mA. To je kompenzováno tím, že režim ucha je typicky spouštěn pro krátké soukromé poslechové relace (2–5 minut), nikoli pro celé čtecí relace, takže dopad na baterii je +0,8 % u Q6 (900 mAh, 6,5 h) a +0,5 % u L5 (1 200 mAh, 8,5 h).

6. Přeslech senzoru s ISP kamery

VCSEL senzoru přiblížení vyzařuje na 940 nm, což je těsně mimo viditelné pásmo, ale uvnitř křivky citlivosti CMOS senzoru OID kamery (viz Čtecí pero TC-121 kamera ISP a obrazový signálový procesor). Bez koordinace by VCSEL pulz vytvářel jasné body v zachycených OID snímcích.

Řešíme to hardwarovým handshakingem: ISP kamery signalizuje CAM_BUSY během 16 µs expozičního okna a senzor přiblížení čeká, dokud není CAM_BUSY nízký, než vypálí VCSEL pulz. Cenou za latenci je až 16 µs na měření, což je při 30 Hz nepostřehnutelné.

Pro kupující OEM/ODM, kteří integrují senzor přiblížení do vlastního návrhu PCB, musí být VCSEL stopa chráněna zemním kroužkem a vzdálena alespoň 5 mm od flex kabelu kamery. Referenční návrhy PCB poskytujeme zdarma v OEM hardware design guide.

7. Kvalifikace EMC, ESD a bezpečnost očí

Modul senzoru přiblížení nese třídu 1 bezpečnosti očí dle IEC 60825-1, což znamená, že je bezpečný za všech běžných podmínek použití, včetně náhodného přímého pohledu. Energie pulzu je 0,14 nJ na pulz, tedy hluboko pod 1 nJ limitem třídy 1 na 940 nm.

Kvalifikace EMC dle EN 55032 a FCC Part 15 nevykazuje žádné měřitelné emise nad šumovou hladinou testovacího přijímače, protože pulzy nesou celkově méně než 9 kHz energie za sekundu. Kvalifikace ESD dle IEC 61000-4-2 na ±8 kV kontakt a ±15 kV vzduch nevykazuje žádné latch-up události ani trvalé poškození při 100 výbojích na polaritu.

Pro trhy EU, UK a Austrálie je modul senzoru přiblížení pokryt stávajícími technickými soubory CE-RED, UKCA a RCM, které vedeme pro modelové řady Q6, Q8, L5 a T2. Nevyžadujeme žádná další prohlášení specificky pro senzor přiblížení.

8. Data terénního výkonu ze 47 zemí

Do 1 200 produkčních per jsme zabudovali volitelné telemetrické logování (viz TC-077 sběr logů a telemetrie čtecího pera) a zaznamenávali spouštění režimu ucha po dobu 90 dní.

Region GCC vykazuje nižší využití režimu ucha, protože čtecí relace jsou typicky skupinové ve třídách, zatímco EU vykazuje vyšší využití kvůli případům použití v knihovnách a tichých studovnách. Míra falešných spouštění zůstává pod 0,6 % ve všech regionech, což potvrzuje správnost algoritmu odrazu od kůže.

9. Časté chyby v návrhu senzoru přiblížení čtecího pera

U levných OEM čtecích per se opakovaně objevují čtyři chyby:

1. Použití obvodu pouze s fotodiodou bez IR zářiče. Ten snímá okolní IR (sluneční světlo, žárovky) a vytváří neustálá falešná spouštění.
2. Montáž senzoru za OLED displej. IR-filtrační vrstva displeje tlumí signál přiblížení o 40 dB.
3. Vynechání testu odrazu od kůže. Jednoduchý prahový detektor spouští na jakýkoli blízký objekt, včetně sešitu nebo povrchu stolu.
4. Zapomenutí na přeslech VCSEL pulzu s kamerou. To vytváří jasné artefakty v zachycených OID snímcích a zhoršuje přesnost OCR (viz TC-127 OCR engine čtecího pera vs deep learning OCR).

10. OEM přizpůsobení a NRE

Pro private-label projekt jsou body přizpůsobení senzoru přiblížení:

• Úplné vypnutí režimu ucha (compile-time flag, 0 $ NRE)
• Vlastní detekční vzdálenost (30 mm místo 50 mm u modelu pro péči o seniory, 400 USD NRE)
• Vlastní práh falešného spouštění (ladění pro daný trh, zahrnuto ve standardním NRE pro 3 000 kusů)
• Přidání tlačítka manuálního přepsání pro rodiče, kteří chtějí za běhu deaktivovat režim ucha (300 USD NRE za firmware + změna nástrojů pro přidání tlačítka)

Dodací lhůta pro zakázkový senzor přiblížení je 25 dní, stejně jako naše standardní OEM dodací lhůta. Minimální objednací množství je 3 000 per pro kupující s privátní značkou a 5 000 per pro kupující, kteří chtějí také vlastní barvu plastu.

Senzor přiblížení je typem funkce, které si rodiče nevšimnou, dokud ji nezačnou používat. Pak už nechtějí zpět. Čtecí pero, které pozná, když ho dítě zvedne k uchu, které tiše přesměruje zvuk, které chrání malá ouška před hlasitými výbuchy zvuku — to je rozdíl mezi obyčejným produktem a značkou, kterou rodina nechá tři roky na nočním stolku.

FAQ

Související čtení

• TC-024 čtecípero návrh audio zesilovače třídy D
• TC-023 čtecípero MEMS mikrofon a potlačení šumu
• TC-029 čtecípero rychlost a výška řeči
• TC-143 čtecípero AGC a automatické řízení zisku
• BG-019 čtecípero kontrolní seznam specifikací
• BG-065 čtecípero průvodce bateriemi
• AP-006 čtecípero případ použití rodina večerní pohádka

CTA: Potřebujete směrování zvuku s detekcí ucha ve vašem čtecím peru s privátní značkou? Poptávka a do 24 hodin vám zašleme 5stránkový brief o integraci senzoru přiblížení. Možnosti kvality zvuku porovnejte v TC-024 čtecípero návrh audio zesilovače třídy D.

13. Kalibrační data v terénu, latence detekce ucha a směrování zvuku

V 47 000+ nasazených jednotkách v 47 zemích zaznamenala smyčka detekce ucha řízená senzorem přiblížení u modelů L5, Q8, T2, Y6 (s AMS TMD3720 IR + fotodiodou) 9,4 milionu událostí nasazení/sundání ucha s 99,2% úspěšností na první pokus při 2mm mezeře od kůže. Lite úroveň u modelů B1, B2, F8, K7, KF1, Q6 (s Vishay VCNL36828S) dosahuje 97,6% při stejné mezeře, zatímco základní P2 se dodává bez senzoru přiblížení a používá softwarové ztlumení. Stejný algoritmus je základem přepínače kompilace režimu kiosku, který si kupující mohou vyžádat pro muzea a čtecí programy na letištích.

13.1 Latence detekce vs mezera od kůže

Níže uvedený graf zobrazuje medián latence detekce nasazení ucha od přiblížení ke kůži po SYS_EAR_ON GATT notifikaci, pro tři rodiny senzorů přiblížení a tři reprezentativní mezery. Hodnoty jsou z 1 800 testů při 23 °C a 55% relativní vlhkosti na produkčních perech s firmwarem GA.

13.2 Matice výběru senzoru přiblížení podle modelu

Níže uvedená tabulka přiřazuje každý senzor přiblížení k produkčním modelům per, typickému proudu, vzorkovací frekvenci I²C a vlnové délce IR zářiče. Všechny součásti přiblížení sdílejí stejnou prahovou logiku na straně firmwaru a stejný 18ms debounce.

13.3 Pravidla rozhodování kupujícího

Tip pro kupujícího: Pokud je vaše čtecí program aplikace pro pohádky před spaním, kde pero leží 5-10 minut u ucha dítěte, modely L5 / Q8 / T2 / Y6 s TMD3720 jsou jedinou úrovní, která udrží latenci 24 ms při 2 mm mezeře od kůže a 92 ms při 10 mm. Střední úroveň s VCNL36828S vyskočí na 86 ms při 5 mm a 220 ms při 10 mm, což je slyšitelný práh pro rodiče, který slyší 1-2slovné zpoždění před spuštěním přehrávání.

13.4 Certifikační stopa bloku proximity

IR emitor uvnitř TMD3720 a VCNL36828S pracuje na 940 nm a je klasifikován jako LED produkt třídy 1 podle IEC 62471, hluboko pod limitem MPE pro bezpečnost očí. Blok proximity je pokryt stávajícími prohlášeními CE-RED, FCC Part 15, UKCA-RER, RCM, KC, MIC a ISED RSS-247. EN 71-1/-2/-3, ASTM F963-17, CPSIA, RoHS 2.0, REACH a PROP 65 pokrývají kryt. GCC (SFDA), ESMA (SAE), SNI (Indonésie), NOM (Mexiko) a INMETRO (Brazílie) rozšiřují multijurisdikční stopu pro klienty-importéry. Každá šarže je dodávána s 38stránkovým reportem o typové zkoušce a sériovým mapováním každé jednotky na QA traveler v našich dvou výrobních základnách.

13.5 Interní křížové odkazy a čtecí cesty

Pro Class D zesilovač, který proximity událost uvádí do mute / unmute, viz Design Class D audio zesilovače čtecího pera. Pro MEMS mikrofon, který se páruje s proximity pro detekci řeči v uchu, viz MEMS mikrofon čtecího pera a potlačení šumu. Pro pipeline rychlosti / výšky řeči, kterou proximity událost urychluje, viz Ovládání rychlosti a výšky řeči čtecího pera. Pro AGC, který zabraňuje clipování audia spouštěného proximity, viz AGC a automatické řízení zisku čtecího pera. Pro stranu výrobce programu viz Čtecí pera privátní značky a Poptávejte nabídku na čtecí pero.

CTA: Potřebujete audio cestu s detekcí ucha nebo příznak kompilace v režimu kiosku pro vaše čtecí pero privátní značky? Poptat nabídku se slovem "EAR-DETECT" a do 24 hodin vrátíme 5stránkový brief o proximity senzoru (volba součástky, debounce, latence, mute cesta) a cenově fixní nabídku na integraci firmwaru. Skladová neutrální pera se dodávají při MOQ 500 s dodací lhůtou 5 dní, vlastní firmware pro detekci ucha při MOQ 3 000 s 4týdenním harmonogramem integrace firmwaru.

13.6 Míra falešných probuzení vs. pracovní cyklus IR zářiče

Druhý graf zobrazuje pracovní cyklus IR zářiče (procento každého 100 ms cyklu dotazování, kdy 940nm LED skutečně emituje) ve srovnání s mírou falešných probuzení na tichém stole. Vyšší pracovní cyklus poskytuje silnější zpětný signál a kratší latenci 18 ms, ale spotřebovává více baterie a vytváří více rozptýleného IR záření, ježně může pronikat do sousedního snímače kamery.

Graf vysvětluje, proč dodáváme tři čipy pro snímání přiblížení v rámci jedenácti modelů: LTR-559 má nejnižší míru falešných probuzení, ale při 5% pracovním cyklu se latence 18 ms prodlouží na neuspokojivých 32 ms u řad K7 / KF1, což nadřazená aplikace vnímá jako 14ms prodlevu před otevřením zvukové brány. VCNL36828S u modelů Q6 a Q8 udržuje falešná probuzení pod 1,8 % i při 30% pracovním cyklu, ale silnější zářič přispívá k menšímu úniku IR, jenžně je nutné ve firmwaru odečíst od histogramu červeného kanálu snímače kamery. TMD3720 se nachází uprostřed a je výchozí volbou u řad L5 / T2 / Y6, kde je třeba vyvážit latenci detekce ucha a únik IR záření.