紅外接近感測：搭建模塊，機械考量以及設(shè)計折中

紅外接近感測：搭建模塊，機械考量以及設(shè)計折中

接近感測基于紅外信號的采集和處理，通常需要兩個部件來構(gòu)成光學前端：一個紅外LED和一個光傳感器。紅外LED向被感測物體射出一束紅外信號，一部分信號會反射回來，被紅外CMOS光傳感器探測到。通過片上的信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，被數(shù)字化的紅外信號可以由微處理器或MCU進行后處理，用于各種各樣的接近感測用途。

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一個典型的紅外接近感測系統(tǒng)是由一個光學前端、模擬混合信號處理電路，和一定的機械結(jié)構(gòu)組成的。要做出一個有效的設(shè)計，重要的一點是理解接近感測的原理、電路構(gòu)建模塊、機械設(shè)計考量、接近感測算法和典型的接近特性。機械部分的設(shè)計通常要根據(jù)不同應(yīng)用平臺進行設(shè)計折中，例如手機、PDA、筆記本電腦和各種消費類產(chǎn)品。設(shè)計折中包括器件選型、放置尺寸、玻璃鏡片特性、光學設(shè)計，以及應(yīng)用算法和軟件實施。

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集成的環(huán)境光感測和接近感測系統(tǒng)不但能測出周圍的光環(huán)境，還能探測正在接近或遠離的物體。這樣微處理器或MCU就能做出更復(fù)雜的控制和調(diào)整決定，更好地改善系統(tǒng)的能量效率，實現(xiàn)很多用戶友好的應(yīng)用。例如，如果手機能夠知道你正把手機貼近耳朵來接聽電話，MCU就可以關(guān)掉不用的子系統(tǒng)，例如顯示屏、鍵盤或觸摸屏，來節(jié)省能量，并避免用戶無意當中碰到按鍵。

紅外接近感測的基礎(chǔ)

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紅外接近感測可以用下面的圖來簡單描述。圖1顯示了一個例子，當在接近探測路徑上沒有感測物體時，就不會有反射回來的紅外信號被接近傳感器捕獲到。

相反，當感測物體處在可探測的距離內(nèi)時，如圖2所示，接近傳感器會捕捉到反射回來的紅外信號。接近讀數(shù)與捕獲的紅外光信號的強度成線性比，與距離的平方成反比。

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圖2

圖2，在接近探測區(qū)域有感測物體。

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典型的數(shù)字接近感測傳感器功能框圖

圖3顯示了典型的數(shù)字環(huán)境光和接近傳感器中的電路功能框圖。光敏二極管陣列是信號調(diào)理和采集光學前端的部件。集成的ADC可以把捕獲的光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的數(shù)據(jù)流，送給微控制器進行后處理，實現(xiàn)不同的應(yīng)用目的。

不同的配置指令可以通過I2C接口寫入。用戶還可通過同一個數(shù)字接口讀出環(huán)境光和接近距離的數(shù)據(jù)流。中斷功能直接送到MCU，由MCU控制一個紅外LED驅(qū)動器，按照接近探測循環(huán)期間編程設(shè)定和控制的時鐘周期，為發(fā)射紅外信號提供所需的前向電流。

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圖3：典型的接近傳感器功能框圖。

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機械設(shè)計的考量

1)選擇紅外LED

光學前端的另一個重要部件是紅外LED。不同的紅外LED具有不同的峰值波長、發(fā)光強度和視角。典型峰值波長為850nm～950nm的高亮度紅外LED與ISL29011接近傳感器的光譜相匹配。窄視角和更高的發(fā)光強度能夠加大接近探測的距離。選擇一款視角、機械占位、發(fā)光強度和功耗都比較均衡的紅外LED是很重要的。

2)器件的放置尺寸

元器件的放置在機械設(shè)計中起著十分關(guān)鍵的作用，決定了接近探測的距離遠近。這里有許多決定因素：傳感器和障礙物之間的空間距離，障礙物和紅外LED之間的距離，障礙物高度的變化，尤其是是否使用光導管。圖4顯示了一個采用典型元器件放置尺寸的接近感測系統(tǒng)解決方案。

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圖4，典型的器件放置尺寸

3)玻璃窗口的尺寸和放置

對于一個平面鏡片，視角是塑料或玻璃材料折射率的函數(shù)。更密實的材料(折射率更高)的有效視角更小，低密度介質(zhì)的視角更寬。窗口鏡片對光傳感器的視角有明確的限制。窗口鏡片應(yīng)該直接放到傳感器的頂部，鏡片的厚度應(yīng)該盡量薄，以減少光強的損失。

4)接近感測系統(tǒng)算法

完成元器件選型和設(shè)計之后，一個穩(wěn)定耐用的接近感測系統(tǒng)還需要光傳感器在各種環(huán)境光條件下對不同的感測物體做動態(tài)的自校準。一個優(yōu)秀的接近感測算法是必不可少的，能夠幫助接近感測硬件智能地避開來自不同的機械設(shè)計局限和惡劣的周邊環(huán)境的重重障礙，從而持續(xù)、穩(wěn)定地探測距離。

5)典型的接近測量

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圖5

在接近感測系統(tǒng)上采用了各種設(shè)計和實施方法后，就能夠得到一個不錯的接近感測測試系統(tǒng)，如圖5所示。環(huán)境光和接近感測系統(tǒng)根據(jù)特定用戶應(yīng)用的要求進行了優(yōu)化。在平衡了上述設(shè)計折中后，消費者能夠?qū)ο到y(tǒng)的各個方面進行精準地調(diào)整，滿足應(yīng)用的要求。

附注：光學基礎(chǔ)

大多數(shù)光源發(fā)出的光都包含可見光和紅外光譜成分。不同的光源可以有近似的以流明衡量的可見光強度，但是紅外光譜的響應(yīng)相差會很大。在測量光強時，必須考慮到光的頻譜特性和光學傳感器的頻譜敏感度的差異。采用CMOS工藝的光傳感器能探測到大多數(shù)紅外輻射(峰值敏感度為880nm)，因此會誤報真實的環(huán)境(可見的)狀況。

對于燈泡之類的光源，傳感器信號要比人眼看到的數(shù)量多得多。由這類傳感器控制的照明方案的響應(yīng)可能與環(huán)境光譜不符，從而限制了最大接近感測距離。要建立更合適的減光或照明控制，作為接近感測系統(tǒng)解決方案的一部分，一顆能模仿人眼對最大紅外信號反應(yīng)的傳感器是必不可少的。圖6顯示了一個光學傳感器的光譜響應(yīng)，非常適合環(huán)境光感測。該圖還顯示了在接近感測中所使用的紅外波長的光譜。

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圖6，傳感器的接近感測和傳感器的環(huán)境光響應(yīng)光譜。