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智能終端中的應用軟件設計中的光傳感器
智能終端中的應用軟件設計中的光傳感器
【摘 要】本文分析了環(huán)境光傳感器工作原理及性能參數(shù)。
提出一種基于Windows Phone的嵌入式系統(tǒng)設計方案，編寫環(huán)境光傳感器驅(qū)動采集外部光照強度，優(yōu)化檢測靈敏度來降低光傳感器的功耗，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)控制(PWM)輸出信號的頻率和占空比調(diào)節(jié)背光亮度，降低LCD和鍵盤背光燈功耗，實現(xiàn)自適應控制屏幕亮度并延長設備待機時間。
【關(guān)鍵詞】環(huán)境光傳感器;智能終端;脈沖寬度調(diào)制
環(huán)境光傳感器是一種能夠檢測到所在環(huán)境中的光信號并能夠?qū)⑵涮幚磙D(zhuǎn)化成對應的輸出電壓信號的傳感器，感測周圍光線的同時，它還能告知處理芯片自動調(diào)節(jié)顯示器背光亮度，降低產(chǎn)品的功耗，使產(chǎn)品的智能化控制達到更高的水平[1]。
采用環(huán)境光傳感器可以最大限度地延長電池的工作時間，有助于顯示器提供柔和的畫面。
本文在分析環(huán)境光傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，著眼于提高檢測靈敏度和抗干擾能力的同時，從而降低光傳感器的功耗。
提出一種基于Windows Phone系統(tǒng)設計方案，通過編寫環(huán)境光傳感器驅(qū)動采集外部光照強度調(diào)節(jié)背光亮度，以此來降低LCD和鍵盤背光燈的功耗，實現(xiàn)自適應控制屏幕亮度和延長智能終端電池使用時間。
1 環(huán)境光傳感器分類及特點
環(huán)境光傳感器(ALS)是一類特殊的光電傳感器，可以將光的強弱變?yōu)榇笮∽兓碾娦盘枴?/p>
當有光照時光電二極管有較大電流，無光照時光電二極管沒有電流或者僅有極微弱電流。
光傳感器主要分為光敏電阻、光電二極管和光電晶體管幾種類型。
光敏電阻中最常用的材料為多晶體或非晶體的硫化鎘半導體，對波長為500nm附近的黃綠光的響應最為靈敏，和人眼的頻率響應很相似。
硫化鎘的能帶間隙較小、靈敏度高。
實際產(chǎn)品中為調(diào)整對光的頻率響應并改善某些性能，以硫化鎘和硒化鎘或碲化鎘混合的光敏電阻較為常見。
光電二極管(Photo Diode)是由電阻率相當高的n型本征硅晶片制造的平面結(jié)構(gòu)，本征硅的上表面做重度P型摻雜(通常是摻硼)形成PN結(jié)。
為了使光能穿過而到達本征層，這一摻雜的P型層必須很薄，P型金屬電極層外面覆蓋透光氧化硅或氮化硅絕緣保護膜。
光電晶體管需要更大的偏置電流，但與電流相伴的噪聲迫使傳感器的靈敏度轉(zhuǎn)向更高的勒克斯范圍。
光電晶體管的檢測響應時間與光電二極管相似，并可以利用偏置電流進行調(diào)整。
偏置電流也可以隨探測到的信號水平進行變化。
光電晶體管能夠粗略地確定環(huán)境光線水平，如室內(nèi)/室外、白天/夜間以及明亮光線/陰影等狀態(tài)，因此需要外部電路對輸出信號進行校準。
1.1 光傳感器應用分析
選擇光傳感器需要考慮因素包括光譜響應/IR抑制、最大勒克斯數(shù)、光敏度以及功耗等。
環(huán)境光傳感器應該僅對400nm至700nm光譜的范圍有感應;最大勒克斯數(shù)一般為1萬勒克斯左右;根據(jù)光傳感器的鏡片類別，光線通過鏡片后，光衰減可以在25%-50%之間。
多數(shù)硅基ALS光譜響應靈敏度峰值一般為接近人眼的光譜靈敏度峰值550nm。
使用不同的芯片架構(gòu)和濾波器分層，不僅能變換峰值靈敏度，還能抑制紅外輻射。
為適合不同光照條件，硅基光電探測系統(tǒng)要使用不同電阻，以便在不同分辨率之間不停地切換。
要求傳感器在在非常亮的環(huán)境光條件下能提供優(yōu)化的調(diào)光能力。
步進調(diào)光ALS相對于傳統(tǒng)硅基光電傳感器的一個重大改進是根據(jù)連續(xù)調(diào)光來提供合適的輸入[3]。
一些傳感器提供非常小的封裝，但需要一個外部放大器或無源元件來獲取所需的輸出信號。
選取具有更高集成度的光傳感器省去外部元件(ADC、放大器、電阻器、電容器等)，線性電壓輸出、數(shù)字輸出能夠直接與處理器進行接口，將能簡化系統(tǒng)硬件設計，提高穩(wěn)定性。
2 系統(tǒng)框架及硬件實現(xiàn)
2.1 Windows Phone及其體系架構(gòu)
Windows Phone將采用與Windows 8相同的內(nèi)核，僅需很少改動就能讓應用在兩個平臺上運行，能給用戶提供無縫的跨平臺體驗，實現(xiàn)多個屏幕的一致。
Windows Phone支持多核心芯片組，雙核甚至更多核處理器，硬件制造商可以為用戶提供更豐富更多配置的WP8設備。
在Windows Phone體系結(jié)構(gòu)框架內(nèi)，進行硬件系統(tǒng)設計綜合考量成本、性能、外觀等因素的前提下，追求終端系統(tǒng)可靠性。
必須對硬件方案及各個模塊進行深入了解，以便于編寫程序和充分發(fā)揮硬件的性能。
方案涉及到的硬件主要包括CPU模塊、LCD模塊、GPIO模塊、ADC模塊、環(huán)境光傳感器模塊。
他們的硬件結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。
主控芯片采用分布式存儲器架構(gòu)的32位處理器AT91SAM9260，外設和外部接口之間的多重數(shù)據(jù)同時傳送，而無需耗費CPU的時鐘周期。
外部總線接口(EBI)的時鐘頻率為133MHz，片外存儲器的高速數(shù)據(jù)傳送提升了微處理器性能[5]。
智能終端中的應用處理器AP(Application Process)負責控制環(huán)境光檢測及運行應用程序等這些非通信類的工作，GPIO(General Purpose Input Output)是嵌入式微控制器的通用輸入/輸出端口，當微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口，或當系統(tǒng)需要采用遠端串行通信或控制時，GPIO能夠提供額外的控制和監(jiān)視功能。
GPIO具有低至1μA的功率損耗，集成IIC從機接口，即使在待機模式下也能夠全速工作;加上內(nèi)置多路高分辨率的PWM輸出，可預先確定、縮短外部事件與中斷之間的響應時間，控制匹配電流輸出確保均勻的顯示亮度。
構(gòu)成了傳感器和處理器之間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。
系統(tǒng)可以通過PWM脈寬調(diào)制來調(diào)節(jié)背光亮度。
背光調(diào)節(jié)是對其里面的LED(Light Emitting Diode)進行調(diào)節(jié)，采用數(shù)字或PWM的LED調(diào)光控制法以大于100Hz的開關(guān)工作頻率，以脈寬調(diào)制的方法改變LED驅(qū)動電流的脈沖占空比來實現(xiàn)LED的調(diào)光控制，選用大于100HZ開關(guān)調(diào)光控制頻率主要是為了避免人眼感覺到調(diào)光閃爍現(xiàn)象，在LED的PWM調(diào)光控制下，LED的發(fā)光亮度正比于PWM的脈沖占空比，采用PWM的LED調(diào)光控制的調(diào)光比范圍可達3000：1。
鍵盤背光燈為高亮發(fā)光二極管，可以通過電平高低控制暗滅狀態(tài)，也可以通過PWM調(diào)節(jié)亮度。
2.2 環(huán)境光傳感器MAX9635[6]
環(huán)境光傳感器MAX9635應用組件包括光電二極管、電流放大器和無源低通濾波器。
能夠?qū)⑺羞@些器件集成到一個小型封裝中對于便攜式終端設備非常重要。
MAX9635環(huán)境光傳感器提供IIC數(shù)字輸出，具有22位超寬動態(tài)范圍。
器件集成兩個光電二極管和一個濾光器，可有效抑制紫外線和紅外線，可很好地復現(xiàn)人眼的光學反應。
先進的算法能夠校準不同光源之間的光譜偏差，此外器件具有高動態(tài)范圍優(yōu)點，確保在所有環(huán)境光條件下實現(xiàn)高精度流明測量。
光電二極管將光強轉(zhuǎn)換為電流，然后通過低功耗電路處理為數(shù)字比特流。
該比特流經(jīng)數(shù)字處理并保存在輸出寄存器內(nèi)，可以通過IIC接口讀取。
片上可編程中斷功能無需對器件進行連續(xù)的輪詢數(shù)據(jù)查詢，可以有效節(jié)省功耗。
MAX9635具有較強的IR抑制，并且內(nèi)部IR補償機制能夠把紅外光的影響降至最小[6]。
自適應增益電路可自動選擇正確的流明范圍優(yōu)化測試。
MAX9635芯片設計工作在1.7V至3.6V供電范圍，滿負荷工作時僅消耗0.65μA電流。
通過分析發(fā)現(xiàn)具有一定的方向性，這在面板設計上需要加以考慮盡量安裝到人體不易遮擋的地方。
3 軟件設計及實現(xiàn)
3.1 軟件設計功能要求
Windows Phone設備驅(qū)動程序是一種可以使計算機和設備通信的特殊程序，操作系統(tǒng)只有通過這個接口程序控制硬件設備的工作，根據(jù)傳感器的特性曲線和工作方式，通過相關(guān)模塊控制傳感器工作來要完成環(huán)境光檢測驅(qū)動。
在Windows Phone操作系統(tǒng)下，控制面板由三個部分組成：Ctlpnl.exe、Control.exe和.CPL文件。
Ctlpnl.exe和Control.exe是由操作系統(tǒng)來控制控制面板的文件視圖和體系結(jié)構(gòu)的。
而“.CPL”文件則是用來實現(xiàn)控制面板功能的應用程序。
要創(chuàng)建自己的控制面板應用程序，必須創(chuàng)建一個具有由Control.exe體系結(jié)構(gòu)建立的必要的回調(diào)函數(shù)的“.CPL”文件。
分析CPL程序的工作機制，掌握如何與驅(qū)動通信獲取控制信息，然后將控制信息傳遞給所需要控制的LCD驅(qū)動，最終控制LCD的顯示亮度。
實際設計應考慮一下設計指標和功能。
�、佼旉P(guān)機或黑屏后停止環(huán)境光檢測，關(guān)閉傳感器電源;
②當環(huán)境光足夠時LCD屏根據(jù)環(huán)境光使用較高亮度;
�、郛敪h(huán)境光不夠時點亮鍵盤燈，LCD屏根據(jù)環(huán)境光使用較低亮度;
④檢測完成后立即關(guān)閉sensor電源。
通過對軟件設計要求和設計詳細指標的分析，軟件系統(tǒng)大體可分為：環(huán)境光檢測的驅(qū)動程序、Windows Phone控制板應用程序兩大部分。
底層驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對件的直接控制實現(xiàn)其詳細指標，上層應用程序?qū)崿F(xiàn)界面的繪制和與用戶交互。
3.2 底層驅(qū)動程序的實現(xiàn)
環(huán)境光傳感器主要與GPIO118和ADC2相連接。
環(huán)境光檢測的驅(qū)動程序把GPIO與環(huán)境光傳感器相連接的端口GPIO118配置為基本的GPIO模式作為環(huán)境光傳感器電源的控制開關(guān)，對環(huán)境光傳感器進行上電控制。
完成與環(huán)境光傳感器模擬輸出連接，讀取數(shù)模轉(zhuǎn)換通道數(shù)據(jù)。
根據(jù)所得數(shù)據(jù)辨別出當前環(huán)境光光照強度等級，完成對環(huán)境光傳感器工作狀態(tài)的控制和讀取光照強度數(shù)據(jù)。
根據(jù)以上分析首先進行GPIO配置。
在boot_gpio.h文件中定義所有GPIO初始化值，通過程序修改對其初始化。
系統(tǒng)啟動device.exe程序加載并完成管腳配置，完成將管腳GPIO118配置為環(huán)境光傳感器的電源開關(guān)控制管腳。
4 結(jié)論
本文提出一種基于Windows Phone的嵌入式系統(tǒng)設計方案，通過編寫環(huán)境光傳感器驅(qū)動采集外部光照強度，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)控制PWM輸出信號的頻率和占空比來調(diào)節(jié)背光亮度，以此來降低LCD和鍵盤背光燈的功耗，達到終端延長待機的目的。
隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多傳感器融合的趨勢，譬如環(huán)境光和接近感應整合傳感器，在文中方案基礎(chǔ)上稍加改進，能夠?qū)崿F(xiàn)接近感應功能從而進一步完善智能終端的人性化設計。
【參考文獻】
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[6]Prashanth Holenarsipur. MAX9635環(huán)境光傳感器的接口程序[EB/OL].http：//china.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/4786，2010-05-16.
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