【導(dǎo)讀】在“時(shí)時(shí)連接”的今天，大多數(shù)便攜設(shè)備都將顯示屏作為一大賣點(diǎn)，用戶通過(guò)顯示屏能夠訪問(wèn)并觀看視頻和互聯(lián)網(wǎng)信息。出于對(duì)功耗和觀看舒適度等方面的考慮，許多設(shè)備已經(jīng)配備了環(huán)境光傳感器——目的是使設(shè)備能夠檢測(cè)周圍的環(huán)境情況。在昏暗的環(huán)境下，可調(diào)低顯示屏背光亮度，以節(jié)省電池電量；在明亮的環(huán)境下，增強(qiáng)字體和背光亮度能夠使設(shè)備顯示更清晰，改善用戶體驗(yàn)。本文討論了設(shè)計(jì)帶有環(huán)境光傳感器的產(chǎn)品時(shí)需要注意的事項(xiàng)。
光測(cè)量的光譜靈敏度
首先，探討一下人眼對(duì)環(huán)境光的視覺(jué)反應(yīng)。人眼對(duì)光線的感應(yīng)靈敏度通常用光譜光視效率(又稱CIE曲線)表示(圖1)。從圖中可以看出，人眼看不到光譜中的紫外線(< 400nm)和紅外線(> 700nm)，此外人眼對(duì)綠光(～555nm)最敏感，對(duì)藍(lán)光和紅光較為不敏感。為此，我們對(duì)該靈敏度曲線進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，將入射光功率密度(單位為μW/cm2)轉(zhuǎn)換為人眼的靈敏度單位(單位為lux)。波長(zhǎng)為555nm時(shí)，1 lux相當(dāng)于大約0.15μW/cm2的光功率密度。
圖1. 適光曲線給出了人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光線的視覺(jué)反應(yīng)。人眼對(duì)綠光的反應(yīng)最強(qiáng)，但卻看不到光譜中的紅外(> 700nm)或紫外(< 400nm)部分。
制造工藝和技術(shù)方面的挑戰(zhàn)使得低成本環(huán)境光傳感器(ALS)很難準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)人眼對(duì)光線的視覺(jué)反應(yīng)，完全絕對(duì)地抑制紅外線和紫外線也是一大難題。由于常見(jiàn)光源的光譜非常寬，即使略微偏離適光曲線，再加上不能完全抑制紅外線和紫外線，就會(huì)對(duì)環(huán)境光傳感器的測(cè)量精度造成非常大的影響。
實(shí)際上，許多商用照度計(jì)均無(wú)法準(zhǔn)確匹配適光曲線。因此，大多數(shù)照度計(jì)都定義了一個(gè)f1參數(shù)，該參數(shù)用于說(shuō)明照度計(jì)與光學(xué)CIE曲線的匹配程度。經(jīng)驗(yàn)不足的用戶在操作商用照度計(jì)時(shí)還應(yīng)注意另外一個(gè)問(wèn)題——許多照度計(jì)聲稱根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了校準(zhǔn)。然而，事實(shí)上這種聲明只能說(shuō)明照度計(jì)在采用白熾(A類)光源進(jìn)行測(cè)試時(shí)能夠給出正確的讀數(shù)，但并不保證非白熾光源的測(cè)量精度，例如熒光燈、太陽(yáng)光或LED——盡管此類光源更為常見(jiàn)。事實(shí)上，由于白熾光源的能效非常低，各個(gè)國(guó)家正在積極推進(jìn)在日常生活中禁止使用白熾光源。
因此，現(xiàn)今的環(huán)境光傳感器均嘗試工作在與光學(xué)CIE曲線無(wú)法完全匹配的情況，并代之以采用疊加原理來(lái)計(jì)算環(huán)境光亮度。現(xiàn)在市場(chǎng)上的大多數(shù)光傳感器采用兩個(gè)或多個(gè)不同類型的光電二極管，每個(gè)光電二極管對(duì)光譜不同區(qū)域的敏感度不同。對(duì)這些光電二極管的輸出進(jìn)行算術(shù)整合，并對(duì)每個(gè)光電二極管設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)目烧{(diào)增益，傳感器即可較為準(zhǔn)確地測(cè)量常見(jiàn)環(huán)境光源的亮度。
例如，如果兩個(gè)不同類型的光電二極管PD1和PD2針對(duì)兩種不同的入射光源給出不同的讀數(shù)，就可得到每個(gè)光電二極管的增益常數(shù)，從而使傳感器能夠在兩種光源下均提供準(zhǔn)確的光強(qiáng)測(cè)量值：
光源1 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2
光源2 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2
光電二極管的類型越多，則可精確匹配的光源數(shù)量就越多。
日常生活中常見(jiàn)光源的光譜區(qū)別非常大(圖2)。以住宅和辦公室中的常見(jiàn)光源為例，熒光燈和白熾燈的光譜成分就截然不同——熒光燈的紅外成分極低，而白熾燈的紅外成分則高得多。因此，大多數(shù)環(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)資料都列出了這兩種常見(jiàn)光源的響應(yīng)特性(圖3)。
圖2. 以上曲線為太陽(yáng)光(左上)、鹵素/白熾燈(右上)、熒光燈(左下)和白光LED (右下)的光譜比較。
圖3. 大多數(shù)環(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)資料都包含典型光靈敏度與照度計(jì)讀數(shù)(lux)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。上圖所示為MAX44009環(huán)境光傳感器的響應(yīng)曲線。
光測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍
人眼對(duì)光照條件的敏感范圍很寬。在黑暗的環(huán)境中(可能需要數(shù)分鐘的時(shí)間以適應(yīng)這種條件)，人眼能夠檢測(cè)到低至10-4 lux的亮度水平。在另一個(gè)極端環(huán)境下，即使亮度高達(dá)108 lux，人眼也能感知到黑暗。
人們?cè)谌粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的典型環(huán)境亮度通常要窄得多，從夜間室外的0.1 lux到辦公室照明的300 lux，再到太陽(yáng)光下的100,000 lux。大多數(shù)便攜設(shè)備只需準(zhǔn)確檢測(cè)5 lux到大約1000 lux的環(huán)境光強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用中，便攜設(shè)備顯示屏的背光效果并不能夠與太陽(yáng)光的強(qiáng)度完全一致，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到某個(gè)較低等級(jí)時(shí)，顯示屏即開(kāi)始簡(jiǎn)單地維持在最低背光亮度。
值得注意的是，人眼對(duì)亮度的感知呈對(duì)數(shù)關(guān)系(類似于人耳對(duì)聲音的靈敏度)。光強(qiáng)增加幾乎10倍，而人眼只能感知到兩倍的亮度變化。可以用一個(gè)類似的傳遞函數(shù)表示顯示屏背光亮度百分比與相對(duì)環(huán)境光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4中的線性和對(duì)數(shù)曲線所示。
圖4a. 該線性曲線給出了背光強(qiáng)度與相對(duì)光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。黑線為理想對(duì)數(shù)曲線，藍(lán)線采用折線近似法，更適于用微控制器代碼實(shí)現(xiàn)。
圖4b. 這些曲線為采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示相對(duì)光強(qiáng)時(shí)的圖4a中的線性數(shù)據(jù)。黑線為理想對(duì)數(shù)曲線，藍(lán)線采用折線近似法，更適于用微控制器代碼實(shí)現(xiàn)。
由此可見(jiàn)，在較低等級(jí)光強(qiáng)下，需要較高的亮度測(cè)量分辨率；在較高等級(jí)的光強(qiáng)下，采用一般的分辨率就足夠了。實(shí)現(xiàn)這一機(jī)制的最簡(jiǎn)單方法是采用具有前端可編程增益的高分辨率轉(zhuǎn)換器，從而平衡強(qiáng)光下對(duì)寬動(dòng)態(tài)范圍的要求，以及亮度較低時(shí)對(duì)高靈敏度的要求。
MAX44009與其它數(shù)字光傳感器不同，它采用了片內(nèi)自動(dòng)量程調(diào)節(jié)機(jī)制。這種調(diào)節(jié)方法能夠使IC自動(dòng)實(shí)現(xiàn)22位動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量，無(wú)需微控制器重新配置寄存器，從而提高了編碼效率。此外，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行壓縮，并以12位格式表示，從而為光測(cè)量提供了一個(gè)偽對(duì)數(shù)步長(zhǎng)。以MAX44009為例，器件采用4位指數(shù)和8位尾數(shù)表示22位動(dòng)態(tài)范圍，低亮度條件下的分辨率可達(dá)0.045 lux/計(jì)數(shù)，環(huán)境光亮度較高時(shí)具有更高的計(jì)數(shù)值。
黑玻璃效應(yīng)
現(xiàn)代化電子設(shè)備的外觀和質(zhì)感，也就是其工業(yè)設(shè)計(jì)，與它們所提供的特性和功能同樣重要。用戶已經(jīng)將現(xiàn)代化便攜設(shè)備視為一種“身份”的象征。例如，環(huán)境光傳感器對(duì)設(shè)備非常重要，但是現(xiàn)在將這些傳感器隱藏起來(lái)使用戶不可見(jiàn)已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)做法，從而不影響產(chǎn)品的外觀和質(zhì)感。
對(duì)于玻璃面板，通常在傳感器開(kāi)口處加一層薄薄的黑色油墨(吸收幾乎所有的入射光)，將其“遮蓋”起來(lái)。少量光線透過(guò)油墨，到達(dá)光傳感器，既能夠進(jìn)行環(huán)境光測(cè)量，同時(shí)又使面板保持有光滑、平整的黑色邊框(圖5)。
圖5. 典型的平板電腦設(shè)計(jì)，LCD顯示屏周圍采用黑色邊框面板。用戶看不到隱藏在其后的環(huán)境光傳感器。
不幸的是，這層黑色油墨在很大程度上影響了光傳感器的正常工作，不僅減弱了到達(dá)傳感器的光強(qiáng)，而且還改變了光譜。首先，討論光衰減問(wèn)題。大多數(shù)黑色油墨僅允許2%至10%的可見(jiàn)光穿過(guò)，5 lux的外部光源到達(dá)傳感器時(shí)僅剩0.1 lux！因此，要求光傳感器具備較高的靈敏度。其次，雖然只有2%至10%的可見(jiàn)光能夠穿透油墨，但幾乎全部的入射紅外輻射均能夠穿透油墨到達(dá)傳感器，從而造成了光譜的改變(圖6)。
圖6. 上圖為目前商用電子設(shè)備中黑色油墨的典型光譜特性，表示了入射光透射百分比與波長(zhǎng)的關(guān)系。
不均勻的光譜透射特性使得目前大多數(shù)光傳感器必須重新校準(zhǔn)，以便在被置于黑色油墨下方時(shí)仍能獲得準(zhǔn)確的環(huán)境光測(cè)量讀數(shù)，也因此需要重新調(diào)節(jié)適用于無(wú)黑色油墨條件下精確光測(cè)量的工廠設(shè)置。正因?yàn)槿绱耍琈AX44007環(huán)境光傳感器允許操作多個(gè)內(nèi)部光電二極管。這種靈活性使用戶能夠針對(duì)大多數(shù)應(yīng)用調(diào)節(jié)和重新校準(zhǔn)傳感器響應(yīng)特性。MAX44007的靈敏度為0.025 lux/LSB。
光傳感器中斷引腳的使用
大多數(shù)應(yīng)用不需要實(shí)時(shí)改變顯示屏背光強(qiáng)度，其目的是防止響應(yīng)噪聲，例如掠過(guò)的陰影。相比之下，快速響應(yīng)環(huán)境光的一致變化能夠使用戶連貫地使用設(shè)備，無(wú)需分心為了改善顯示效果而調(diào)節(jié)顯示屏亮度。此外，在固件中不斷輪詢光傳感器(以檢查環(huán)境光強(qiáng)度是否發(fā)生變化)和噪聲抑制電路對(duì)應(yīng)用軟件資源來(lái)說(shuō)也是一種負(fù)擔(dān)。這會(huì)增加微控制器處理負(fù)荷，進(jìn)而延緩對(duì)用戶命令的響應(yīng)速度，并增大功耗。
因此，目前的光傳感器都配備了一個(gè)強(qiáng)大的功能——中斷引腳。傳感器持續(xù)比較環(huán)境光測(cè)量值與內(nèi)部可編程窗口門限，并在光強(qiáng)超出門限時(shí)觸發(fā)一個(gè)中斷，從而向主微控制器報(bào)告光照條件發(fā)生了實(shí)質(zhì)性變化。通常采用一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器超時(shí)的情況下才向主控制器報(bào)告中斷，以避免環(huán)境光信號(hào)中的噪聲和短時(shí)波動(dòng)引起誤操作。
中斷引腳使傳感器的應(yīng)用變得更為智能，只有在需要操作時(shí)才向主微控制器發(fā)出請(qǐng)求。這樣一來(lái)，主微控制器的資源就能夠分配給其它任務(wù)，或者微控制器可維持在低功耗等待狀態(tài)，從而延長(zhǎng)電池壽命。典型應(yīng)用電路(圖7)給出了中斷引腳的使用方法。需要注意的是，該引腳的開(kāi)漏連接允許“線或”連接至多個(gè)器件和信號(hào)源。
圖7. 多點(diǎn)I2C總線上的環(huán)境光傳感器典型應(yīng)用電路，顯示了中斷引腳與主微控制器的連接方式。
總結(jié)
本文概述了目前便攜設(shè)備的光傳感器設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的應(yīng)用注意事項(xiàng)。在開(kāi)發(fā)早期確定方案，與IC供應(yīng)商緊密合作，可確保系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
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