將環(huán)境光傳感器添加到平板電腦、智能手機(jī)和筆記本電腦等便攜式設(shè)備可延長電池壽命，并實(shí)現(xiàn)針對(duì)環(huán)境優(yōu)化的易于查看的顯示器。本討論涵蓋了在便攜式設(shè)備中使用此類傳感器時(shí)出現(xiàn)的各種問題。

介紹

在當(dāng)今日益互聯(lián)的世界中，大多數(shù)便攜式設(shè)備都帶有允許用戶訪問和使用視頻和互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的顯示屏。對(duì)功耗和觀看舒適度的擔(dān)憂導(dǎo)致許多這些設(shè)備都包含環(huán)境光傳感器，以使設(shè)備能夠感知其周圍環(huán)境。在昏暗的環(huán)境中，顯示器背光可以回?fù)芤怨?jié)省電池電量，而在明亮的環(huán)境中，增強(qiáng)字體和背景的使用可以通過使設(shè)備更具可讀性來改善使用。本說明討論了在設(shè)計(jì)帶有環(huán)境光傳感器的產(chǎn)品時(shí)要記住的一些應(yīng)用注意事項(xiàng)。

光測(cè)量的光譜靈敏度

首先，考慮人眼對(duì)環(huán)境光的看法。我們的眼睛對(duì)光的敏感性通常用明視曲線來描述，也稱為CIE曲線（圖1）。它表明人眼對(duì)光譜的紫外（<400nm）和紅外（>700nm）部分的波長視而不見。它還表明眼睛對(duì)綠光（~555nm）最敏感，對(duì)藍(lán)色和紅色波長不太敏感。因此，我們使用該靈敏度曲線的歸一化版本來轉(zhuǎn)換入射光功率密度（以μW/cm為單位指定）2） 到人眼的感光度單位（以勒克斯為單位）。在555nm處，1勒克斯相當(dāng)于約0.15μW/cm2的光功率強(qiáng)度。

圖1.明視曲線顯示了眼睛對(duì)不同波長光的反應(yīng)。綠光在眼睛中產(chǎn)生最大的響應(yīng)，但眼睛無法看到光譜的紅外（>700nm）或紫外線（<400nm）部分的光。

制造和技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)使得實(shí)用的低成本環(huán)境光傳感器（ALS）難以精確復(fù)制該光譜。也很難絕對(duì)徹底地拒絕紅外和紫外線輻射。由于普通光源中的光譜含量較寬，即使與明視曲線的輕微偏差，再加上不完全的紅外和紫外線抑制，也會(huì)對(duì)環(huán)境光傳感器的亮度測(cè)量精度產(chǎn)生重大影響。

事實(shí)上，許多市售照度計(jì)很難與明視曲線完全匹配。因此，大多數(shù)照度計(jì)都指定了一個(gè)稱為?1'的參數(shù)，該參數(shù)通常用于表示照度計(jì)與明視CIE曲線的匹配程度。沒有經(jīng)驗(yàn)的用戶在處理商用照度計(jì)時(shí)還應(yīng)該記住另一個(gè)問題——許多電表聲稱已按照可追溯到美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，實(shí)際上，這種說法只是斷言，當(dāng)使用白熾燈（A型）光源進(jìn)行測(cè)試時(shí)，照度計(jì)會(huì)給出正確的讀數(shù)。不保證非白熾光源（如熒光燈、陽光或 LED）的照度測(cè)量的準(zhǔn)確性，即使此類光源更為常見。事實(shí)上，世界正朝著禁止在日常生活中使用白熾光源的方向發(fā)展，因?yàn)樗鼈兊哪茉葱屎艿汀?/p>

因此，現(xiàn)代環(huán)境光傳感器試圖忍受與明視CIE曲線的不完全匹配，而是使用疊加原理來計(jì)算環(huán)境光亮度。當(dāng)今市場(chǎng)上的大多數(shù)光傳感器使用兩種或多種不同類型的光電二極管，每種光電二極管對(duì)光譜的不同部分敏感。通過數(shù)學(xué)方式組合這些光電二極管輸出，每個(gè)輸出都具有適當(dāng)調(diào)整的增益，可以使傳感器輸出相當(dāng)精確的常用光源的環(huán)境亮度測(cè)量值。

例如，如果兩種光電二極管類型PD1和PD2為兩個(gè)入射光源提供不同的讀數(shù)，則可以為每個(gè)光電二極管推導(dǎo)出一個(gè)增益常數(shù)，以便傳感器為兩個(gè)光源提供準(zhǔn)確的照度讀數(shù)：

光源 1 = 增益 1 × PD1 + 增益 2 × PD2
光源 2 = 增益 1 × PD1 + 增益 2 × PD2

光電二極管類型越多，可以緊密匹配的光源數(shù)量就越多。

日常生活中發(fā)現(xiàn)的光源光譜差異很大（圖2）。在家庭和辦公室中常見的光源中，熒光燈和白熾燈被認(rèn)為是極端的，一種紅外含量很少，另一種紅外含量很高。因此，大多數(shù)環(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示了比較這兩種常見光源的響應(yīng)（圖 3）。

圖2.這些圖比較了太陽光（左上）、鹵素?zé)?白熾燈（右上）、熒光燈（左下）和白光 LED（右下）的光譜。

圖3.大多數(shù)環(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)包括典型感光度與以勒克斯為單位的儀表讀數(shù)的關(guān)系圖。圖中顯示了MAX44009環(huán)境光傳感器的響應(yīng)。

光測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍

人眼對(duì)各種光線條件都很敏感。當(dāng)光線調(diào)整到黑暗環(huán)境時(shí)（可能需要幾分鐘才能適應(yīng)這種情況），眼睛可以檢測(cè)到低至10的亮度水平-4勒克斯。在天平的另一端，即使在10點(diǎn)明亮的環(huán)境中，眼睛也有一些黑暗感。8勒克斯。

人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中遇到的典型環(huán)境亮度通常要窄得多，范圍從夜間戶外的0.1勒克斯到辦公室照明的300勒克斯，再到明亮陽光下的100，000勒克斯。大多數(shù)便攜式設(shè)備只需要準(zhǔn)確檢測(cè)5勒克斯至約1000勒克斯的環(huán)境光強(qiáng)度。便攜式顯示器背光無法真正與太陽的能量競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)于低于一定水平的光環(huán)境，顯示器只是簡(jiǎn)單地保持在最低亮度。

請(qǐng)注意，人眼對(duì)亮度的感知是對(duì)數(shù)的（類似于耳朵對(duì)聲音的敏感性）。勒克斯水平必須增加近 10 倍，眼睛才會(huì)感覺到它的亮度是原來的兩倍。然后，類似的傳遞函數(shù)將顯示器背光亮度的理想百分比與相對(duì)環(huán)境照度相關(guān)聯(lián)，如圖4的線性和對(duì)數(shù)圖所示。

圖 4a.此線性圖顯示了背光強(qiáng)度與提供的相對(duì)勒克斯的關(guān)系。黑線是理想的對(duì)數(shù)曲線，藍(lán)線是更適合使用微控制器代碼實(shí)現(xiàn)的分段線性近似。

圖 4b.這些曲線使用相對(duì)照度的對(duì)數(shù)刻度表示圖4a的線性數(shù)據(jù)。黑線是理想的對(duì)數(shù)曲線，藍(lán)線是更適合使用微控制器代碼實(shí)現(xiàn)的分段線性近似。

因此，低光測(cè)量需要精細(xì)分辨率，而高照度測(cè)量則需要大分辨率。實(shí)現(xiàn)此方案的最簡(jiǎn)單方法可能是使用具有前端可編程增益的高分辨率轉(zhuǎn)換器，這允許人們平衡高端大動(dòng)態(tài)范圍和低端測(cè)量的高靈敏度要求。

MAX44009與其他數(shù)字光傳感器的不同之處在于它包含片內(nèi)自動(dòng)量程方案。該方案允許IC自動(dòng)進(jìn)行22位動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量，從而提高代碼效率，而無需微控制器重新配置寄存器。此外，這些測(cè)量值被壓縮并以 12 位格式表示，實(shí)際上為光測(cè)量提供了偽對(duì)數(shù)步長。例如，MAX44009使用4位指數(shù)和8位尾數(shù)表示22位動(dòng)態(tài)范圍，在低光照水平下提供0.045 lux/計(jì)數(shù)的分辨率，在較高水平的環(huán)境光下提供更高的計(jì)數(shù)尺寸。

黑色玻璃的效果

現(xiàn)代電子設(shè)備的外觀和感覺（工業(yè)設(shè)計(jì)）現(xiàn)在與它們提供的特性和功能一樣重要。客戶已經(jīng)開始將現(xiàn)代便攜式設(shè)備視為“他們是誰”的代表。例如，環(huán)境光傳感器對(duì)設(shè)備很重要，但現(xiàn)在必須將這些傳感器隱藏在視線之外，以免分散用戶對(duì)產(chǎn)品外觀和感覺的注意力。

對(duì)于玻璃面板，這種“遮蓋”通常是通過在傳感器開口處涂上一層薄薄的黑色墨水（吸收幾乎所有入射光）來實(shí)現(xiàn)的。然后，通過墨水的少量光到達(dá)光傳感器，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境光測(cè)量，同時(shí)允許面板保持光滑且不間斷的黑色邊框（圖 5）。

圖5.典型的平板電腦設(shè)計(jì)顯示了在LCD顯示屏周圍使用黑色邊框面板。環(huán)境光傳感器的存在隱藏在用戶的視野之外。

不幸的是，這種黑色墨水對(duì)光傳感器的正常運(yùn)行具有重要意義。它不僅會(huì)衰減到達(dá)傳感器的光量，還會(huì)改變?cè)摴獾墓庾V。首先，考慮光衰減問題。大多數(shù)黑色墨水只允許2%到10%的可見光通過，因此5勒克斯的外部光在傳感器上只能變成0.1勒克斯！因此，光傳感器需要高靈敏度。其次，光譜的變化使得雖然只有2%至10%的可見光穿過墨水，但它幾乎所有入射紅外輻射都通過傳感器（圖6）。

圖6.這種典型的光譜分布特征了當(dāng)今商業(yè)電子設(shè)備中發(fā)現(xiàn)的黑色墨水，顯示了入射光的透射百分比與波長。

不均勻的光譜透射曲線提出了額外的要求，即大多數(shù)現(xiàn)代光傳感器在黑色墨水下放置時(shí)需要重新校準(zhǔn)以獲得環(huán)境照度的準(zhǔn)確讀數(shù)。因此，在沒有黑色墨水的情況下為精確測(cè)量光而選擇的任何出廠設(shè)置都需要重新調(diào)整。因此，MAX44007環(huán)境光傳感器允許訪問多個(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)用定制和重新校準(zhǔn)傳感器響應(yīng)。MAX44007的靈敏度為0.025 lux/LSB。

在光傳感器中使用中斷引腳

大多數(shù)應(yīng)用不需要實(shí)時(shí)改變顯示器背光強(qiáng)度，其目的是防止對(duì)雜散噪聲（如傳遞陰影）的響應(yīng)。相比之下，對(duì)環(huán)境光的持續(xù)變化的快速響應(yīng)使用戶能夠保持與設(shè)備的完全互動(dòng)，而不會(huì)因調(diào)整顯示器亮度以提高可讀性而分心。另請(qǐng)注意，光傳感器的連續(xù)輪詢（以檢查環(huán)境電平是否發(fā)生變化）和在固件中實(shí)現(xiàn)噪聲抑制會(huì)給應(yīng)用程序的軟件資源帶來負(fù)擔(dān)。它減慢了對(duì)用戶命令的響應(yīng)，并且由于微控制器處理的增加而增加了功耗。

因此，現(xiàn)代光傳感器配備了一個(gè)強(qiáng)大的功能——中斷引腳。傳感器不斷將環(huán)境光讀數(shù)與內(nèi)部可編程窗口閾值進(jìn)行比較，并在光照水平超過這些閾值時(shí)生成中斷，從而提醒主機(jī)微控制器光線條件確實(shí)發(fā)生了變化。在將中斷實(shí)際標(biāo)記到主機(jī)之前，使用持久計(jì)時(shí)器來消除由于環(huán)境光中虛假、持續(xù)時(shí)間短的波動(dòng)而導(dǎo)致的錯(cuò)誤觸發(fā)。

使用中斷引腳使傳感器變得智能，并且僅在需要操作時(shí)才要求主機(jī)干預(yù)。然后，主機(jī)微控制器的處理資源可以專用于其他任務(wù)，或者微控制器可以通過保持低功耗等待狀態(tài)來延長電池壽命。典型的應(yīng)用電路（圖7）演示了中斷引腳的使用。請(qǐng)注意，與該引腳的漏極開路連接允許與多個(gè)器件和電源進(jìn)行接線或連接。

圖7.此典型應(yīng)用電路適用于多點(diǎn) I 上的環(huán)境光傳感器2C 總線顯示中斷引腳與主機(jī)微控制器的連接。

結(jié)論

本文概述了在為現(xiàn)代便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)光傳感器時(shí)經(jīng)常遇到的一些應(yīng)用注意事項(xiàng)。在開發(fā)初期建立時(shí)，與IC供應(yīng)商的密切合作可以確保系統(tǒng)靈活可靠。

審核編輯：郭婷