基于非接觸光學(xué)接近式傳感器的智能感應(yīng)方案實現(xiàn)

順應(yīng)消費者對更佳用戶體驗和智能自動化控制的需求，光學(xué)接近式傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到具備臉部檢測、手部動作和距離檢測等各種技術(shù)上，例如智能手機、液晶電視顯示屏、計算機和鍵盤背光顯示、數(shù)碼相機取景器、自動光度切換和衛(wèi)生間龍頭控制等應(yīng)用。

本文將介紹接近式傳感器的工作原理，以及使用時在信號放大、濾波和信號調(diào)整方面所面臨的挑戰(zhàn)。此外，也將討論設(shè)計工程師如何通過使用全方位的接近式傳感器方案解決LED長時間高電流保護、陽光和環(huán)境光源消除等問題，確保光學(xué)接近式傳感器的穩(wěn)固性和性能。

反射型光學(xué)接近式傳感器介紹和工作原理

光學(xué)接近式傳感器基本上是由紅外LED發(fā)射器和PIN光檢測器所組成，圖1為典型接近式傳感器的功能方塊圖。

圖1：接近式傳感器的功能方塊圖。

作為電到光的轉(zhuǎn)換器，LED發(fā)射器會發(fā)射紅外脈沖，并通過提供由光轉(zhuǎn)換回到電氣信號的光二極管檢測器感應(yīng)由遮蔽物體或表面反射的紅外脈沖，請參考圖2中的功能方塊圖說明。

圖2：接近式傳感器的工作原理圖。

接近式傳感器的基本工作原理非常簡單，紅外脈沖由LED發(fā)射器發(fā)出，到達離開傳感器特定檢測距離的障礙物體或表面，并發(fā)生穿透、散射或反射回到光二極管檢測器，接著光二極管會產(chǎn)生可以通過外部負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成為輸出電壓的光電流，輸出光電流的大小則由檢測距離和LED的驅(qū)動電流大小決定，在特定LED光度輸出條件下，物體或表面越接近傳感器，反射的光強度越高，因此光二極管傳感器所提供的光電流輸出也越大。

接近式傳感器信號放大、濾波和信號調(diào)整面臨的挑戰(zhàn)

在實際設(shè)計上，接近式感應(yīng)電路可能非常復(fù)雜，目前的設(shè)計大多采用分立方案實現(xiàn)，通常會在光學(xué)接近式傳感器的輸入和輸出加上信號調(diào)整電路來強化傳感器的能力和相率，以便在盡可能遠檢測距離檢測到物體，為微控制器提供可靠且適當(dāng)?shù)妮敵鲂盘枴?/p>

在輸入端，由LED發(fā)射器所產(chǎn)生的光脈沖強度基本上由LED的電源大小決定，通常產(chǎn)生電氣脈沖信號的微控制器并無法提供足夠驅(qū)動LED的電流，因此會加上如晶體管等的電流放大電路。

LED長時間高電流保護的重要性，高PSSR：要避免LED導(dǎo)通時間過長造成壽命縮短，我們可以加入長時間高電流保護電路，這個電路可以避免LED上出現(xiàn)不必要的長脈沖寬度。

接近式傳感器的電源輸入電路也必須具備高紋波抑制能力，以避免因輸入電壓變化所造成的波動。

陽光和環(huán)境光消除的重要性：環(huán)境光和人工光源，例如白熾燈和熒光燈可能會影響光二極管檢測器的靈敏度，任何由光二極管檢測器所感應(yīng)到的雜散陽光或明亮背光將會產(chǎn)生不小的持續(xù)直流或低頻尖峰電壓，另外，由于大部分的陽光都包含有一定數(shù)量的紅外光，因此普通的濾波電路并無法有效地降低噪聲。

在接近式傳感器輸出上通常會希望有干凈的光電流輸出，因此必須在輸出電路上設(shè)計帶有超窄帶寬特性并匹配目標(biāo)噪聲波長的復(fù)雜濾波電路以進行陽光消除，請參考圖3。

圖3：加入陽光消除電路的接近式傳感器工作原理圖。

信號放大的重要性：要讓微控制器可靠并適當(dāng)?shù)刈x取，通常微小的輸出光電流必須經(jīng)過放大電路進一步放大。

適當(dāng)信號形式接口的重要性：在放大后，輸出光電流信號可以連接到電流電壓轉(zhuǎn)換電路以提供電壓輸出信號，同樣地，也可以依目標(biāo)控制功能的形式加入其他電路，例如滯環(huán)比較器和施密特觸發(fā)器。

印刷電路板占用空間和實現(xiàn)成本的重要性：通常LED驅(qū)動電路、放大電路和窄帶寬濾波電路采用分立電路設(shè)計，從而導(dǎo)致PCB費用和實現(xiàn)成本昂貴。

如何選用反射型集成接近式傳感器

集成型光學(xué)接近式傳感器的最重要好處是不用接觸，由于在傳感器和物體間沒有實體接觸，因此可以避免污染。帶魯棒性屏蔽的光隔離可以帶來幾近于零的光學(xué)互擾、更低的功耗、更小的尺寸以及優(yōu)化的檢測距離，從而使得集成反射型傳感器的市場接受度更高，不過集成型接近式傳感器的檢測范圍固定，因此在選擇上就必須依應(yīng)用的形式?jīng)Q定。

通過全方位光學(xué)接近方案加快產(chǎn)品上市速度
安華高科技(Avago Technologies)光學(xué)接近式傳感器方案可針對各種應(yīng)用提供智能感應(yīng)，該方案包含接近式傳感器和信號調(diào)整芯片，完整的方案提供有以下幾個重要優(yōu)點：

* 加強性能和魯棒性

* 適合低功耗應(yīng)用

* 加快產(chǎn)品上市速度

* 提高設(shè)計靈活度

Avago的APDS-9700是一款通過提供適當(dāng)信號調(diào)整，例如以足夠電流驅(qū)動發(fā)射器并強化傳感器輸出來向微控制器提供適當(dāng)且可靠的連接，增強光學(xué)傳感器電路性能和魯棒性的ASIC。除了為物體檢測系統(tǒng)添加智能外，該芯片同時還能處理環(huán)境光干擾問題，而且其小型且緊湊的QFN封裝(2x2mm)更是有效降低電路板占用空間并節(jié)省外部元器件需求。

圖4顯示了APDS-9700信號調(diào)整芯片的功能方塊圖。

圖4：APDS-9700信號調(diào)整芯片功能方塊圖。

使用HSDL-9100和APDS-9700的接近感應(yīng)應(yīng)用電路

圖5為使用Avago APDS-9700信號調(diào)整芯片搭配Avago HSDL-9100構(gòu)成的接近感應(yīng)應(yīng)用電路參考設(shè)計，在這個設(shè)計中，接近式傳感器的發(fā)射器以脈沖串信號、掃頻(chirp)信號或偽隨機信號方式送出串行脈沖，通過特定檢測距離，并由障礙物體或表面反射回到接收器。

圖5：使用Avago APDS-9700信號調(diào)整芯片和HSDL-9100接近式傳感器的光學(xué)接近感應(yīng)設(shè)計。

在這個設(shè)計范例中，脈沖由預(yù)編程的微控制器產(chǎn)生，接著送入APDS-9700的LEDON引腳。想要適當(dāng)運行，脈沖寬度應(yīng)該要大于1μs。

當(dāng)LEDON引腳上的開關(guān)脈沖由邏輯高電平變成低電平或由低電平變成高電平時，可能會在電源Vcc上產(chǎn)生尖峰電壓，主要原因是內(nèi)置的紅外LED驅(qū)動電路以高電流工作，這個高電流會受到電感影響形成“彈跳與反彈跳”效應(yīng)，在快速開關(guān)過程中造成尖峰電壓。感應(yīng)的電感值可能由芯片內(nèi)部焊線、外部測試探針甚至是連接到電源的導(dǎo)線產(chǎn)生，由于尖峰電壓可能造成芯片發(fā)生錯誤甚至造成損壞，因此加入了CX1和CX2去耦合電容來吸收這些尖峰電壓，在這個應(yīng)用中，建議使用100nF的CX1與6.8μF的CX2。

LEDA是驅(qū)動紅外發(fā)射器的輸出引腳，R1則是用來控制流經(jīng)紅外發(fā)射器電流的限流電阻，R1阻值越高，流經(jīng)紅外發(fā)射器的電流越小，對于物體檢測距離較短的部分應(yīng)用，并不需要高電流，降低流經(jīng)發(fā)射器的電流有助于降低電源電壓的尖峰電壓。

光檢測器的陰極則直接連接到APDS-9700的PD引腳。

電阻R3和電容CX3并聯(lián)并連接到PFILT引腳，形成產(chǎn)生輸出電壓VPFILT的積分電路，由內(nèi)部電壓電流轉(zhuǎn)換器所提供的電流通過這個積分電路以特定時間常數(shù)進行充放電動作。

PFILT模擬輸出引腳可以連接到微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將持續(xù)變化的電壓轉(zhuǎn)換成為二進制數(shù)字形式，這些二進碼可以在PC、LED或LCD面板上顯示檢測距離。

除了提供PFILT引腳的輸出電壓外，積分電壓VPFILT同時也連接到滯環(huán)比較器的輸入，當(dāng)滯環(huán)比較器的輸入到達預(yù)先設(shè)定的參考閥值電壓VTH時，會在輸出產(chǎn)生邏輯高電平到低電平的變化，否則會產(chǎn)生低電平到高電平變化，因此光二極管檢測器輸出的改變會在DOUT引腳上以數(shù)字輸出呈現(xiàn)，由于DOUT是一個開集引腳，因此需要在DOUT上連接一個上拉電阻R2到電源Vcc。

DOUT數(shù)字輸出引腳可以連接到微控制器、LED或開關(guān)，以便提供是否感應(yīng)到物體的狀態(tài)。

APDS-9700擁有ENB引腳，可以讓使用者在器件不需工作時關(guān)閉芯片以節(jié)省功耗，當(dāng)ENB引腳為高電平時，器件將關(guān)閉，當(dāng)ENB引腳為低電平時器件將啟動并回復(fù)正常工作，這些動作可以使用狀態(tài)機實現(xiàn)，而動作的順序則可以通過微控制器編程進行控制。