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淺談接近與環境光強度數字傳感器-APDS9930

2018年10月07日 11:41 網絡整理 作者:工程師譚軍 用戶評論(0
  數字傳感器
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  數字傳感器是指將傳統的模擬式傳感器經過加裝或改造A/D轉換模塊,使之輸出信號為數字量(或數字編碼)的傳感器,主要包括:放大器、A/D轉換器微處理器CPU)、存儲器、通訊接口、溫度測試電路等,在微處理器和傳感器變得越來越便宜的今天,全自動或半自動(通過人工指令進行高層次操作,自動處理低層次操作)系統可以包含更多智能性功能,能從其環境中獲得并處理更多不同的參數
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  特點
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  1、先進的A/D轉換技術和智能濾波算法,在滿量程的情況下仍可保證輸出碼的穩定。
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  2、可行的數據存儲技術,保證模塊參數不會丟失。
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  3、良好的電磁兼容性能。
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  4、傳感器的性能采用數字化誤差補償技術和高度集成化電子元件,用軟件實現傳感器的線性、零點、溫漂、蠕變等性能參數的綜合補償,消除了人為因素對補償的影響,大大提高了傳感器綜合精度和可靠性。
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  5、傳感器的輸出一致性誤差可以達到0.02%以內甚至更高,傳感器的特性參數可完全相同,因而具有良好的互換性。
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  6、采用A/D轉換電路、數字化信號傳輸和數字濾波技術,傳感器的抗干擾能力增加,信號傳輸距離遠,提高了傳感器的穩定性。
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  7、數字傳感器能自動采集數據并可預處理、存儲和記憶,具有唯一標記,便于故障診斷。
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  8、傳感器采用標準的數字通訊接口,可直接連入計算機,也可與標準工業控制總線連接,方便靈活。
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  9, 數字傳感器是將AD,EPROM,DIE(指還未封裝的傳感器芯片,屬于裸片,大小介于cell和chip之間),封裝在一塊用PCB,金屬塊或陶瓷板上的集成。通過各種溫度,壓力點的校準,計算出DIE的線性,再利用AD去補償的方法加工而成的。
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  應用及前景
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  在微處理器和傳感器變得越來越便宜的今天,全自動或半自動(通過人工指令進行高層次操作,自動處理低層次操作)系統可以包含更多智能性功能,能從其環境中獲得并處理更多不同的參數。尤其是MEMS(微型機電系統)技術,它使數字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低。以納米碳管或其它納米材料制成的納米傳感器同樣具有巨大的潛力 [1] 。
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  即使在萌芽階段,人們仍然認為在不久的將來數字傳感器對電子市場具有重要的推動作用。制作數字傳感器的接口以及支持用于數字傳感器網絡的形式多樣的通訊協議都是對技術工藝的巨大挑戰。傳感器的非均質特性和其操作條件的多樣化也對技術工藝提出了巨大的挑戰。
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  現在系統設計所包含的傳感器和處理器越來越多。隨著傳感器和處理器價格的不斷降低,取代機械控制結構的閾值也在不斷變化。在系統中選擇正確的傳感器組合和處理算法可以顯著地降低原材料及能耗的費用并提高系統的總體性能。目前,不斷提高操作的簡化程度和延長能源的使用壽命變得越來越重要,尤其是如今越來越多的傳感器網絡動輒就配置1000或更多的傳感器節點。
淺談接近與環境光強度數字傳感器-APDS9930

  傳感器APDS9930為具有兩種傳感功能的芯片,一方面能夠反映周圍環境的亮度,另一方面能根據紅外測距的原理能夠感應物體的靠近。其廣泛應用于手機,幫助手機做到根據環境光照強度調節屏幕背光亮度以及接聽電話自動鎖屏等功能。

  APDS9930封裝有8個腳,電和地各一個腳,I2C通信一個數據腳一個時鐘腳,還有一個中斷腳,可以根據用戶設置的光照強度或者接近閾值來觸發中斷,還有腳LEDA和LEDK分別為芯片內部紅外發光二極管的陽極和陰極,陰極一般直接連接芯片的最后一個腳:LDR。這個腳會根據用戶的設置來產生不同頻率的驅動信號來驅動發光二極管。

  使用這個芯片獲取環境光照強度手冊說的比較清楚了,我們就簡單說一下接近傳感這一部分,芯片使用I2C與MCU通信,我這邊的實現考慮移植性以及功能需求,決定采用IO口模擬的方式來實現與傳感器通信。NXP 半導體(原 Philips半導體)于 30 多年前發明了一種簡單的雙向二線制串行通信總線,這個總線被稱為現在被稱為I2C 總線。關于I2C總線的詳細介紹詳見https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf?fsrch=1&sr=1&pageNum=1。

  I2C通信舉個配置 APDS9930的例子簡單說明。首先控制SLC和SDA發送I2C開始標志,然后發送從機地址(0x39)以及寫入標志,然后等待一個數據位的ACK。然后發送8位數據COMMAND.這8位數據表明寫入的寄存器地址以及操作方式(自增地址模式等),等待ack。然后發送要寫入的8位數據以及等待ack,最后發送結束標志。

  我們需要用I2C總線,去配置寄存器Enable Register,使能接近傳感功能,Proximity Time Control Register寄存器以及Wait Time Register,配置積分轉換時間以及狀態機輪轉等待時間,以及Proximity Pulse Count Register和Control Register寄存器,配置紅外二極管的驅動脈沖數及電流等。下面列出跟接近傳感功能相關的參數的意義。

  PTIME:接近傳感器ADC的積分轉化時間,以2.73為一個單位時間。他決定了AD輸出的最大Count值,雖然固定積分時間越高,在有效量程的基礎上分辨率會有所提高,但是鑒于其會提升累計誤差的副作用,建議還是將這個參數設置為最低的時間2.73ms,對應的AD輸出MAX_Count為1023。它并不能使有效量程改變。

  PGAIN: 傳感器ADC的積分轉化比例。他決定了AD輸出與距離之間的比例,轉化比例越大,距離的變化對AD輸出的Count值影響會越明顯紅外的有效量程的起點和終端都會增大,對起點與終點在別的參數為手冊推薦的時候,增大的比較明顯。有效的量程會有些許增大。但是受干擾的可能性也會變大。

  PDRIVE:接近紅外LED驅動電流大小,分為100mA到12.5mA四個檔位,推薦參數為100mA,當調整為此參數更小的時候,有效量程的起點和重點都會明顯的縮短,并且量程會減小。在區分離傳感器極近距離的mm級別距離變化的時候用到電流值較小。

  PPULSE: 在Prox Accum狀態時,驅動接近紅外傳感的脈沖數,其對起點與終點有明顯的更改,有效的量程會有些許增大。但是受干擾的可能性也會變大。手冊做的調整這個參數的實驗數據截圖如下:

  由上圖可以看出,傳感器會根據所射向物體的不同灰度有不同的表現。

  我們的接近功能的實現就利用AD輸出滿量程的這段距離。舉個例子,如上圖的8P的配置,灰度在18%~90%之間,其AD從滿量程往下衰減的距離為4cm~8cm,及當物品在4cm~8cm之間的距離時,將會從寄存器Proximity DATA Register讀出的AD值為滿量程,用來區分物體是否接近。


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( 發表人:金巧 )

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