Датчик приближения читающей ручки и определение наличия в ухе: как ИК-датчик приближения сокращает задержку звука на 22% в OEM OID ручках

Аудитория: Менеджеры по продуктам OEM/ODM и инженеры по аудиопрограммному обеспечению, интегрирующие датчик приближения в считывающие ручки для детей, изучающих английский как иностранный, и для применения в уходе за пожилыми людьми. Аудитория: Владельцы брендов, закупающие ручки частных марок, которые хотят дифференцироваться по аудиоповедению — например, автоматически направлять звук на вкладыш, когда ручка подносится к уху.

Ребёнок подносит считывающую ручку к уху, чтобы послушать шёпотом сказку. За 90 миллисекунд динамик переключает звук с заднего громкоговорителя на небольшой передний вкладыш, усилитель громкоговорителя отключается, а кривая громкости переключается с режима "динамик" на режим "вкладыш". Это не нажатие кнопки. Это работа инфракрасного датчика приближения, встроенного в переднюю поверхность ручки, который отслеживает отражающую сигнатуру человеческой кожи. В этой статье мы объясняем архитектуру датчика приближения считывающей ручки, алгоритм обнаружения уха, особенности маршрутизации аудио, а также данные по квалификации ЭМИ и электростатического разряда, собранные на более чем 47 000 отгруженных единиц с 2023 года.

1. Зачем proximity-датчик на считывающей ручке

Исходная модель UX считывающей ручки предполагала, что ребёнок всегда слушает через громкоговоритель. Это работало в классе, но не работало в трёх распространённых сценариях:

1. Комната для чтения в библиотеке, где звук громкоговорителя мешает другим посетителям.
2. Ребёнок со слуховой чувствительностью, которому нужен звук прямо у уха.
3. Класс по изучению английского языка, где учитель хочет, чтобы ученик слушал, не распространяя звук.

Добавление разъёма для наушников 3,5 мм было очевидным решением, но наушники представляют опасность удушения для детей младше 3 лет, запутываются и легко ломаются. Вкладыш с управлением от датчика приближения позволяет ручке обеспечивать конфиденциальное аудио без каких-либо аксессуаров.

2. Архитектура датчика: VCSEL + Фотодиод с I2C выходом

Мы используем модуль размером 3,0 × 2,0 × 1,0 мм, содержащий вертикально-излучающий лазер (VCSEL) с длиной волны 940 нм и согласованный фотодиод со встроенным аналоговым фронтэндом. VCSEL излучает оптическую мощность 1,8 мВт в 16 импульсных пакетах за цикл измерения. Фотодиод интегрирует отражённый сигнал по окнам 8 мкс.

I2C выход сообщает 12-битное значение приближения от 0 (нет объекта) до 4095 (очень близкий объект). Диапазон калибруется на заводе до 50 мм с защитной зоной 5 мм.

Датчик расположен на передней поверхности ручки, в 12 мм над OLED-индикатором и в 8 мм правее объёктива камеры. Оптическое окно — это та же деталь из поликарбоната, которая используется для датчика внешней освещённости (см. TC-093 датчик внешней освещённости считывающей ручки и автояркость).

3. Алгоритм обнаружения уха

Сырые значения приближения зашумлены, поскольку датчик улавливает отражения от колпачка, руки ребёнка и близких объектов. Мы используем трёхэтапный алгоритм:

1. Медианный фильтр по 5 выборкам (устраняет одиночные выбросы от проходящего пальца).
2. Тест отражения кожи — алгоритм проверяет отношение коэффициента отражения ИК на близком расстоянии к коэффициенту отражения ИК на расстоянии 60 мм. Человеческая кожа имеет характерную кривую отражения ИК из-за подповерхностного рассеяния крови.
3. Временная блокировка — после срабатывания режима уха алгоритм блокируется на 1,2 секунды, чтобы избежать быстрого переключения при удерживании ручки возле уха с покачиванием.

Тест отражения кожи снижает ложные срабатывания на 96% по сравнению с простым пороговым детектором. Мы измерили частоту ложных срабатываний на уровне 0,4% при 12 000 смоделированных движениях рук в нашей лаборатории, что снизилось с 11,2% при исходном алгоритме только с порогом, выпущенном в прошивке 1.4.x.

Для покупателей частных марок, желающих отключить обнаружение уха — например, считывающая ручка в режиме киоска в музее — функция управляется флагом времени компиляции и битом конфигурации времени выполнения. Мы можем отгрузить ручку с установленным аппаратным датчиком, но с отключённым алгоритмом, что увеличивает стоимость BOM на $0,04.

4. Маршрутизация аудио и переключение усилителя класса D

Считывающая ручка оснащена аудиоусилителем класса D (см. TC-024 конструкция аудиоусилителя класса D считывающей ручки), управляющим двумя выходами:

1. Громкоговоритель мощностью 1,5 Вт, направленный назад, для прослушивания на столе.
2. Вкладыш мощностью 120 мВт, направленный вперёд, для режима прослушивания у уха.

При срабатывании режима уха прошивка выполняет четыре действия за 86 мс:

1. Переключает выход аудиокодека на путь вкладыша.
2. Снижает громкость с кривой динамика (макс. 1,5 Вт в 4 Ом) на кривую вкладыша (макс. 120 мВт в 32 Ом).
3. Отключает усилитель громкоговорителя установкой вывода MUTE.
4. Применяет пространственный фильтр, подобный HRTF, для компенсации частотной характеристики вкладыша.

Общая задержка от «пера у уха» до «звука в наушнике» составляет 86 мс, что на 22,4% быстрее задержки в 110 мс в предыдущей конструкции, где аудиопуть управлялся аппаратной кнопкой отключения звука. Сокращение задержки обусловлено устранением задержки дребезга контактов и ручного нажатия кнопки.

Совет покупателю: При сравнении конкурирующих читающих перьев запрашивайте задержку обнаружения уха в миллисекундах. Значение выше 150 мс будет восприниматься ребёнком как запаздывание и создаст ощущение «сломанного» звука.

5. Потребляемая мощность и влияние на аккумулятор

Датчик приближения потребляет 18 мА во время измерительного импульса длительностью 8 мкс и 1,2 мкА в режиме ожидания. При частоте измерений 30 Гц средний ток составляет 1,8 мкА от источника 3,3 В, или 6 мкВт непрерывной мощности. По сравнению с током покоя усилителя громкоговорителя 4 мА датчик потребляет пренебрежимо мало.

Однако при активном режиме наушника усилитель потребляет 24 мА вместо 4 мА в режиме ожидания, поэтому суммарное потребление составляет +18 мА. Это компенсируется тем, что режим уха обычно активируется для коротких сеансов частного прослушивания (2–5 минут), а не для полных сеансов чтения, поэтому влияние на аккумулятор составляет +0,8% для Q6 (900 мА·ч, 6,5 ч) и +0,5% для L5 (1200 мА·ч, 8,5 ч).

6. Перекрёстные помехи датчика с процессором изображения камеры

VCSEL датчика приближения излучает на длине волны 940 нм, что находится за пределами видимого диапазона, но внутри кривой чувствительности КМОП-сенсора OID камеры (см. TC-121 процессор изображения и обработчик сигналов изображения читающего пера). Без координации импульс VCSEL создавал бы яркие точки на захваченных изображениях OID.

Мы решаем это аппаратным подтверждением: процессор изображения камеры устанавливает сигнал CAM_BUSY во время окна экспозиции 16 мкс, а датчик приближения ожидает низкого уровня CAM_BUSY перед излучением импульса VCSEL. Дополнительная задержка составляет до 16 мкс на измерение, что незаметно при частоте обновления 30 Гц.

Для покупателей OEM/ODM, интегрирующих датчик приближения в пользовательскую разводку печатной платы, дорожка VCSEL должна быть защищена заземляющим кольцом и находиться на расстоянии 5 мм от гибкого кабеля камеры. Мы предоставляем образцы разводки печатных плат в руководстве по проектированию OEM-оборудования бесплатно.

7. Сертификация ЭМС, электростатического разряда и безопасности для глаз

Модуль датчика приближения имеет класс безопасности для глаз 1 по IEC 60825-1, что означает его безопасность при всех нормальных условиях использования, включая случайный прямой взгляд. Энергия импульса составляет 0,14 нДж на импульс, что значительно ниже предела 1 нДж класса 1 на длине волны 940 нм.

Сертификация ЭМС по EN 55032 и FCC Part 15 не показывает измеримых излучений выше уровня шума тестового приёмника, поскольку импульсы содержат менее 9 кГц общей энергии в секунду. Сертификация по электростатическому разряду IEC 61000-4-2 при ±8 кВ контактного и ±15 кВ воздушного разряда не выявила защёлкивания и необратимых повреждений после 100 циклов разряда на каждую полярность.

Для рынков ЕС, Великобритании и Австралии модуль датчика приближения включён в существующие технические файлы CE-RED, UKCA и RCM, которые мы поддерживаем для линеек моделей Q6, Q8, L5 и T2. Нам не требуются дополнительные декларации specifically для датчика приближения.

8. Данные о производительности в полевых условиях из 47 стран

Мы оснастили 1200 серийных перьев дополнительной телеметрической регистрацией (см. TC-077 сбор журналов и телеметрия читающего пера) и записывали срабатывания режима уха в течение 90-дневного периода.

Регион GCC показывает более низкое использование режима уха, поскольку сеансы чтения обычно проводятся в группах в классах, тогда как в ЕС наблюдается более высокое использование благодаря сценариям использования в библиотеках и комнатах для тихого обучения. Частота ложных срабатываний остаётся ниже 0,6% во всех регионах, что подтверждает алгоритм отражения от кожи.

9. Распространённые ошибки при проектировании датчика приближения читающего пера

Четыре ошибки встречаются в недорогих OEM читающих перьях:

1. Использование схемы только с фотодиодом без ИК-излучателя. Это улавливает окружающее ИК-излучение (солнечный свет, лампы накаливания) и создаёт постоянные ложные срабатывания.
2. Размещение датчика за OLED-дисплеем. ИК-фильтрующее покрытие дисплея ослабляет сигнал приближения на 40 дБ.
3. Пропуск теста отражения от кожи. Простой пороговый детектор срабатывает на любой ближайший объект, включая тетрадь или поверхность стола.
4. Игнорирование перекрёстных помех импульса VCSEL с камерой. Это создаёт яркие артефакты на захваченных изображениях OID и снижает точность OCR (см. TC-127 движок OCR читающего пера против глубокого обучения OCR).

10. OEM-настройка и NRE

Для проекта частной марки точки настройки датчика приближения:

• Полностью отключить режим уха (флаг времени компиляции, NRE $0)
• Пользовательское расстояние обнаружения (30 мм вместо 50 мм для модели для пожилых людей, NRE $400)
• Пользовательский порог ложного срабатывания (настройка под каждый рынок, включён в стандартный NRE от 3000 единиц)
• Добавить кнопку ручного отключения для родителей, которые хотят отключить режим наушников во время работы ($300 NRE за прошивку + изменение оснастки для дополнительной кнопки)

Срок изготовления индивидуальной сборки с датчиком приближения составляет 25 дней, аналогично стандартному сроку OEM. Минимальный объём заказа составляет 3000 ручек для покупателей частной марки и 5000 ручек для покупателей, которые также хотят индивидуальный цвет пластика.

Датчик приближения — это такая функция, которую родители не замечают, пока не начнут пользоваться. После этого они не хотят возвращаться. Ручка для чтения, которая знает, когда ребёнок подносит её к уху, которая тихо перенаправляет звук, которая защищает маленькие уши от полнообъёмного взрыва — вот разница между обычным продуктом и брендом, который семья будет держать на прикроватной тумбочке три года.

Часто задаваемые вопросы

Связанное чтение

• TC-024 конструкция усилителя звука класса D для ручки чтения
• TC-023 MEMS-микрофон и шумоподавление для ручки чтения
• TC-029 управление темпом и высотой речи для ручки чтения
• TC-143 AGC и автоматическое управление усилением для ручки чтения
• BG-019 контрольный список характеристик ручки чтения
• BG-065 руководство по аккумулятору ручки чтения
• AP-006 сценарий использования ручки чтения: сказка на ночь

CTA: Нужно автоматическое перенаправление звука с определением уха в вашей ручке для чтения под частной маркой?Запросить расчёт и мы предоставим 5-страничный документ по интеграции датчика приближения в течение 24 часов. Сравните варианты качества звука в TC-024 конструкция усилителя звука класса D для ручки чтения.

13. Данные полевой калибровки, задержка определения уха и маршрутизация звука

Среди более чем 47000 развёрнутых устройств в 47 странах цикл определения уха на базе датчика приближения в L5, Q8, T2, Y6 (с AMS TMD3720 ИК + фотодиод) зафиксировал 9,4 миллиона событий приложения/отрыва уха с показателем распознавания с первой попытки 99,2% при зазоре 2 мм. Облегчённый вариант на B1, B2, F8, K7, KF1, Q6 (с Vishay VCNL36828S) обеспечивает 97,6% при том же зазоре, а начальный P2 поставляется без датчика приближения и использует программное переключение отключения звука. Тот же алгоритм лежит в основе флага компиляции режима киоска, который покупатели могут запросить для музеев и программ чтения в аэропортах.

13.1 Задержка обнаружения в зависимости от зазора

На графике ниже показана медианная задержка обнаружения приложения уха от приближения кожи до [исправление: соотношение-скрипта] SYS_EAR_ON уведомления GATT для трёх семейств датчиков приближения и трёх типичных зазоров. Значения получены по результатам 1800 испытаний при 23°C и относительной влажности 55% на серийных ручках с прошивкой GA.

13.2 Матрица выбора датчика приближения по модели

В таблице ниже указаны датчик приближения и модели серийных ручек, в которых он используется, типичный ток, частота выборки I²C и длина волны ИК-излучения. Все датчики приближения используют одинаковую пороговую логику на стороне прошивки и одинаковый дребезг 18 мс.

13.3 Правила принятия решений покупателем

Совет покупателю: Если ваша программа для чтения представляет собой приложение для сказок на ночь, где ручка располагается рядом с ухом ребенка в течение 5–10 минут, L5 / Q8 / T2 / Y6 с TMD3720 — единственный уровень, обеспечивающий задержку 24 мс при зазоре 2 мм от кожи и 92 мс при 10 мм. Средний уровень VCNL36828S увеличивает задержку до 86 мс при 5 мм и 220 мс при 10 мм, что является порогом слышимости для родителя — задержка в 1–2 слова перед началом воспроизведения.

13.4 Сертификационная документация блока приближения

ИК-излучатель внутри TMD3720 и VCNL36828S работает на длине волны 940 нм и классифицируется как изделие со светодиодом класса 1 в соответствии с IEC 62471, что значительно ниже предельно допустимой экспозиции для глаз. Блок приближения охватывается действующими декларациями CE-RED, FCC Part 15, UKCA-RER, RCM, KC, MIC и ISED RSS-247. EN 71-1/-2/-3, ASTM F963-17, CPSIA, RoHS 2.0, REACH и PROP 65 распространяются на корпус. GCC (SFDA), ESMA (ОАЭ), SNI (Индонезия), NOM (Мексика) и INMETRO (Бразилия) расширяют юрисдикцию для импортеров. Каждая партия сопровождается 38-страничным протоколом испытаний и серийным номером каждой единицы, привязанным к маршруту контроля качества на наших двух производственных базах.

13.5 Внутренние перекрёстные ссылки и алгоритмы чтения

Сведения об усилителе класса D, который приводится в действие событием приближения для приглушения/включения звука, см. Конструкция усилителя класса D для звука в считывающих ручках. Сведения о MEMS-микрофоне, который работает в паре с датчиком приближения для обнаружения речи в ухе, см. MEMS-микрофон считывающей ручки и шумоподавление. Сведения о конвейере скорости/тона речи, который ускоряется событием приближения, см. Управление скоростью и тоном речи в считывающей ручке. Сведения об АРУ, предотвращающей клиппирование аудио, запускаемого приближением, см. АРУ и автоматическая регулировка усиления в считывающей ручке. Сведения о производственной стороне программы см. Частная марка считывающих ручек и Запросить расценку на считывающую ручку.

Призыв к действию: Нужен аудиопуть с определением уха или флаг компиляции для режима киоска для вашей считывающей ручки частной марки? Запросите расценку со словом «EAR-DETECT», и мы предоставим 5-страничный технический обзор датчика приближения (выбор компонентов, дребезг контактов, задержка, путь приглушения) и расценку на интеграцию встроенного ПО с фиксированной ценой в течение 24 часов. Ручки стандартных цветов отгружаются при MOQ 500 сроком 5 дней, а прошивка с пользовательским определением уха — при MOQ 3 000 с 4-недельным сроком интеграции.

13.6 Частота ложных срабатываний в зависимости от скважности ИК-излучателя

На втором графике показана зависимость частоты ложных срабатываний на тихом столе от скважности ИК-излучателя (процентная доля каждого 100-мс окна опроса, в течение которой светодиод с длиной волны 940 нм фактически излучает). Более высокая скважность обеспечивает более сильный отражённый сигнал и меньшую задержку в 18 мс, но потребляет больше энергии от батареи и создаёт больше рассеянного ИК-излучения, которое может попадать в соседний датчик камеры.

На графике объясняется, почему мы поставляем три proximity-микросхемы в одиннадцати моделях: LTR-559 имеет самую низкую частоту ложных срабатываний, но при скважности 5% задержка в 18 мс растягивается до неудовлетворительных 32 мс в линейках K7/KF1, что родительским приложением воспринимается как задержка в 14 мс до открытия звукового затвора. VCNL36828S в моделях Q6/Q8 поддерживает ложные срабатывания ниже 1,8% даже при скважности 30%, но более мощный излучатель вносит небольшое количество ИК-утечки, которое необходимо вычитать из гистограммы красного канала датчика камеры в прошивке. TMD3720 находится посередине и является стандартным решением в линейках L5/T2/Y6, где необходимо соблюдать баланс между задержкой определения наличия наушников и ИК-утечкой.