新型Vishay智能紅外接近傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用

由于摩爾定律，電子設(shè)備繼續(xù)提高他們的智商。隨著MIPS和兆字節(jié)軟件的不斷涌現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員可以獲得前所未有的處理能力。但在添加引人注目的新產(chǎn)品功能時(shí)，這只是答案的一部分。處理數(shù)據(jù)的能力很好，但前提是我們可以捕獲有趣的數(shù)據(jù)以便首先處理。例如，現(xiàn)在觸摸感應(yīng)風(fēng)靡一時(shí)。那么設(shè)計(jì)師為再來一次做些什么呢？一個(gè)明顯的點(diǎn)綴是讓設(shè)備能夠感知接近度。進(jìn)入Vishay VCNL4000紅外（紅外）接近傳感器（見圖1）。

圖1：VNL4000模塊。

使用紅外線感知接近度的想法不是新的，這個(gè)概念很容易理解。只需使用紅外LED照亮感興趣的區(qū)域，然后使用紅外光電二極管測(cè)量反射光量。反射越高，物體越接近（和/或越大，和/或反射越多）。

更進(jìn)一步，VCNL4000還集成了可見波長(zhǎng)光電二極管，用于環(huán)境光感測(cè)（見圖1）。紅外接近檢測(cè)和可見光感應(yīng)的結(jié)合使該模塊成為手持設(shè)備的理想選擇。例如，在手機(jī)中，可見光檢測(cè)器可用于自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示器的背光水平。同時(shí)，紅外接近功能可用于檢測(cè)手機(jī)是否被保持在用戶的耳朵上，此時(shí)顯示器可以完全關(guān)閉以節(jié)省電量。

圖2：VCNL4000框圖。

滾動(dòng)自己？

當(dāng)然可以。所需要的只是一個(gè)MCU，一個(gè)紅外LED，一個(gè)紅外光電二極管，一個(gè)可見光光電二極管和一些軟件，對(duì)吧？這聽起來很容易，但像往常一樣，魔鬼在細(xì)節(jié)中。事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)真正準(zhǔn)確和強(qiáng)大的實(shí)現(xiàn)所需的修飾是非常重要的，并且可以很容易地看到簡(jiǎn)單的死亡解決方案。

一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是看看VCNL4000的功能和考慮一下背面的衛(wèi)生巾設(shè)計(jì)要匹配它們。例如，你需要幾個(gè)A/D通道來測(cè)量光電二極管輸出，對(duì)嗎？沒什么大不了的，因?yàn)榧词故亲钏{(lán)的藍(lán)領(lǐng)MCU現(xiàn)在也配備了ADC。唯一的問題是典型MCU上的ADC與Vishay器件的16位分辨率不匹配。哦，我想你需要添加一個(gè)高分辨率的ADC芯片。不要忘記一些運(yùn)算放大器，以充分利用光電二極管。當(dāng)你在它的時(shí)候，投入一個(gè)晶體管來驅(qū)動(dòng)IR LED達(dá)到200 mA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出MCU GPIO引腳的驅(qū)動(dòng)能力。

但這只是一個(gè)開始。 VCNL4000的一個(gè)關(guān)鍵特性是它可以高頻率調(diào)制IR LED，最高可達(dá)3.125 MHz，帶通濾波原始IR返回。專注于反射有助于消除環(huán)境和干擾紅外光源（如熒光燈鎮(zhèn)流器）的影響。現(xiàn)在你的自己設(shè)計(jì)需要一些真正的幫助，可能是PLD和濾波器芯片？或者踩到價(jià)格更高的MCU/DSP。

雖然紅外接近功能成為頭條新聞，但VCNL4000可見光傳感器并不懈怠。值得注意的是，它包括自動(dòng)平均最多128個(gè)光讀數(shù)的能力。這有助于分別濾除外部和內(nèi)部干擾 - 例如60/120 Hz干擾和轉(zhuǎn)換器噪聲基底干擾 - 從而在夜間和白天提供0.2至13，000 lux的更靈敏和準(zhǔn)確的測(cè)量。

電源跳閘

在你自己的思考中，似乎迷你MCU不僅可以輕松處理這項(xiàng)工作，而且還有足夠的時(shí)間來回?fù)舨⒃谧x數(shù)之間小睡一下。到目前為止，你可以看到你需要更強(qiáng)大的硅片，并且它將會(huì)非常忙于所有高頻的事情，例如調(diào)制，濾波，平均和位沖擊。例如，匹配VCNL4000環(huán)境光平均功能需要多達(dá)128個(gè)A/D轉(zhuǎn)換，或者對(duì)于數(shù)字光傳感器，如I2C，需要數(shù)千個(gè)時(shí)鐘邊沿。更不用說所有相關(guān)的CPU周期。這意味著功耗正在上升，因此需要對(duì)更大的電池進(jìn)行一些備用更換。

您可能會(huì)認(rèn)為，當(dāng)談到以高達(dá)200 mA的電流驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，任何解決方案都將成為一種耗電量。但事實(shí)上，由于LED照明的占空比稀疏和優(yōu)化的信號(hào)處理，VCNL4000的功耗非常低。

假設(shè)您希望每秒使用100 mA LED驅(qū)動(dòng)電流獲取10次接近讀數(shù)。如圖2所示，在每100 ms采樣時(shí)間內(nèi)，LED僅亮起約70μs。因此，LED和VCNL4000的總平均功耗低于100μA。環(huán)境光傳感器同樣是綠色的。例如，每秒十個(gè)樣本，每個(gè)樣本包含平均八個(gè)讀數(shù)，平均功耗再次低于100μA。

圖3：接近度測(cè)量時(shí)序我是最新和最好的MCU的忠實(shí)粉絲，并且充分尊重聰明的設(shè)計(jì)師從中獲取最大能力的能力。如果沒有實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)，我不能完全排除多部分綁定可能接近匹配VCNL4000功能的可能性。但不要忘記光學(xué)方面。采用自己動(dòng)手設(shè)計(jì)，您需要采用光學(xué)隔離封裝方案，避免內(nèi)部串?dāng)_，例如盒內(nèi)反射。無論分立設(shè)計(jì)多么聰明，它都將比3.95 mm x 3.95 mm x 0.75 mm的超小而薄的Vishay模塊消耗更多的電路板空間。

Vishay可以輕松地將電池放在低位 - 成本評(píng)估套件（見圖2），包括VCNL4000載板，USB接口和基于Windows的儀表板軟件。載板有一個(gè)插入U(xiǎn)SB適配器的10針接頭，可插入PC。

儀表板軟件（見圖3）具有傳感器輸出的實(shí)時(shí)條形圖，能夠點(diǎn)擊即可配置各種選項(xiàng)，如LED電流，采樣頻率，偏移補(bǔ)償和濾波，以及直接讀取和寫入VCNL4000寄存器。

圖4：VCNL4000評(píng)估套件。

圖5：VCNL4000評(píng)估套件軟件屏幕截圖。

Light Show

分裂VCNL4000載板的Vishay方法USB接口非常方便，因?yàn)樗试S您自己使用載板進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。

將您喜歡的MCU連接到VCNL4000只需要五個(gè)連接：雙線I2C接口（SCL，SDA），接地，邏輯電源（VDD）和LED（IR陽極）的單獨(dú)電源。雖然電源指定為2.5 V至3.6 V，但I(xiàn)2C總線可處理1.7 V至5.5 V，幾乎可與任何MCU連接。

請(qǐng)注意，評(píng)估套件可通過單個(gè)電源為邏輯和LED供電。在您自己的應(yīng)用中，確保高LED電流脈沖（高達(dá)200 mA）不會(huì)為其余邏輯產(chǎn)生電源故障。如果這是一個(gè)問題，你可以，例如，直接從電池供電LED和你的數(shù)字邏輯從穩(wěn)壓電源供電。

我急于連接小工具，但模塊的細(xì)間距，0.05英寸。連接器讓我撓頭。我不想直接將電線焊接到模塊上，所以我做了正確的事并訂購了匹配的插座。由于沒有腦外科醫(yī)生，當(dāng)我能夠?qū)㈦娋€固定到插座上時(shí)，我為自己感到非常自豪。但掌聲并沒有持續(xù)多久。當(dāng)我試圖插入Vishay模塊時(shí)，插座上的引腳就會(huì)掉出來。最終，我?guī)缀鯚o法獲得四個(gè)引腳 - SDA，SCL，GND以及LED和邏輯電源的組合 - 連接到VCNL4000模塊，造成一些麻煩的抨擊（見圖4）。 Vishay的人們可能會(huì)考慮在適配器或分線板上投擲更多的連接空間。

一旦我得到了剪輯導(dǎo)致留下來，很容易將連接帶到Parallax Inc. SBC（單個(gè)） - 基于該公司新穎的Propeller多核MCU的計(jì)算機(jī)）。這是一個(gè)對(duì)實(shí)驗(yàn)和原型設(shè)計(jì)特別有用的設(shè)置，因?yàn)榫庉?- 編譯 - 下載周期只需幾秒鐘，而且公司擁有一個(gè)龐大且不斷增長(zhǎng)的用戶貢獻(xiàn)軟件對(duì)象庫。例如，我只是從Parallax網(wǎng)站下載了一個(gè)“Basic_I2C_Driver”，而不是必須編寫I2C驅(qū)動(dòng)程序。

圖6：連接到Parallax SBC的VCNL4000。

由于模塊內(nèi)置的平均和偏移補(bǔ)償，使環(huán)境光讀數(shù)非常簡(jiǎn)單。首先，使用所選選項(xiàng)配置零件，包括要平均的樣品數(shù)量和時(shí)間以及是否執(zhí)行自動(dòng)偏移補(bǔ)償。之后，發(fā)出命令，然后在忙碌位上旋轉(zhuǎn)，或插入軟件延遲，直到操作在1到100毫秒后完成，這取決于平均樣本的數(shù)量和時(shí)間，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的問題。現(xiàn)在，您可以讀取結(jié)果，其中每個(gè)計(jì)數(shù)或LSB（最低有效字節(jié)）對(duì)應(yīng)于0.2 lux（要獲得絕對(duì)lux讀數(shù)，將偏移補(bǔ)償?shù)?6位結(jié)果除以5）。請(qǐng)記住，根據(jù)光源的性質(zhì)，例如白熾燈，熒光燈或陽光，人眼對(duì)給定勒克斯水平感知的照明水平會(huì)有所不同。

紅外接近功能需要更多工作，因?yàn)镸CU軟件必須執(zhí)行平均和偏移補(bǔ)償。讓我們來看看照片5中顯示的程序。

初始化模塊后，通過取16個(gè)接近讀數(shù)的平均值來建立基線偏移。顯然，這個(gè)校準(zhǔn)階段取決于沒有任何接近以建立準(zhǔn)確的基線。

圖7：紅外接近感應(yīng)程序截圖。

隨后，程序通過取8個(gè)讀數(shù)的平均值，減去基線偏移量，并將結(jié)果與應(yīng)用程序特定閾值進(jìn)行比較來執(zhí)行接近度檢查。通常，您可以通過增加平均采樣數(shù)以減少噪聲來降低接近檢測(cè)的閾值，即增加范圍。最后，在SBC的8個(gè)LED上顯示條形圖顯示的結(jié)果或距離。

在考慮應(yīng)用的具體情況時(shí)，請(qǐng)記住靈敏度，閾值和校準(zhǔn)策略是相互交織的。例如，在具有大擺動(dòng)的最粗糙的“是/否”接近應(yīng)用中，高閾值是可以的，工廠或手動(dòng)校準(zhǔn)可能就足夠了。但對(duì)于靈敏度最高的低閾值應(yīng)用，可能需要更頻繁的校準(zhǔn)，理想情況是在每次讀取之前。

例如，通過我的演示設(shè)置，我注意到看起來有點(diǎn)溫度漂移，偏移從上電緩慢增加。 VCNL4000數(shù)據(jù)表在這方面并不明確，但有一個(gè)圖表表明溫度漂移在整個(gè)-40到+ 85°C范圍內(nèi)變化，具體取決于配置的LED電流。雖然只有大約百分之一的數(shù)量級(jí)，但在最高靈敏度的應(yīng)用中需要定期重新校準(zhǔn)就足夠了。

軟件裝飾可能包括通過根據(jù)歷史記錄調(diào)整基線偏移來動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)基線偏移。所用算法的確切性質(zhì)取決于應(yīng)用程序的具體情況，例如采樣率與接近變化率之間的關(guān)系。請(qǐng)注意確認(rèn)您的算法是健壯的，并避免諸如“基線蠕變”和“卡住鍵”之類的錯(cuò)誤。由于單個(gè)IR接近讀取僅需要170微秒，比讀取忙位所需的I2C事務(wù)更快，我剛剛在軟件中包含了命令完成的延遲。唯一的“問題”是初始化后的第一次讀取需要額外的400微秒延遲。我沒有放慢每一次閱讀的速度，而是通過在程序開始時(shí)執(zhí)行虛擬接近讀取來處理這種特殊情況。

底線是VCNL4000的工作方式與宣傳的一樣。例如，我的演示設(shè)置可以從近8英寸或200毫米的距離可靠地檢測(cè)到我的手的存在。在范圍內(nèi)，設(shè)備的高分辨率，輔以軟件信號(hào)處理（如噪聲濾波，校準(zhǔn)和線性化），可實(shí)現(xiàn)非常精確的距離測(cè)量。與此同時(shí)，16位動(dòng)態(tài)范圍有足夠的空間來處理真實(shí)的變幻莫測(cè)，例如劃傷或骯臟的窗口。