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智能终端中的应用软件设计中的光传感器

时间:2022-10-26 06:20:39 计算机应用论文 我要投稿
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智能终端中的应用软件设计中的光传感器

  智能终端中的应用软件设计中的光传感器

  【摘 要】本文分析了环境光传感器工作原理及性能参数。

  提出一种基于Windows Phone的嵌入式系统设计方案,编写环境光传感器驱动采集外部光照强度,优化检测灵敏度来降低光传感器的功耗,根据采集到的数据控制(PWM)输出信号的频率和占空比调节背光亮度,降低LCD和键盘背光灯功耗,实现自适应控制屏幕亮度并延长设备待机时间。

  【关键词】环境光传感器;智能终端;脉冲宽度调制

  环境光传感器是一种能够检测到所在环境中的光信号并能够将其处理转化成对应的输出电压信号的传感器,感测周围光线的同时,它还能告知处理芯片自动调节显示器背光亮度,降低产品的功耗,使产品的智能化控制达到更高的水平[1]。

  采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间,有助于显示器提供柔和的画面。

  本文在分析环境光传感器工作原理的基础上,着眼于提高检测灵敏度和抗干扰能力的同时,从而降低光传感器的功耗。

  提出一种基于Windows Phone系统设计方案,通过编写环境光传感器驱动采集外部光照强度调节背光亮度,以此来降低LCD和键盘背光灯的功耗,实现自适应控制屏幕亮度和延长智能终端电池使用时间。

  1 环境光传感器分类及特点

  环境光传感器(ALS)是一类特殊的光电传感器,可以将光的强弱变为大小变化的电信号。

  当有光照时光电二极管有较大电流,无光照时光电二极管没有电流或者仅有极微弱电流。

  光传感器主要分为光敏电阻、光电二极管和光电晶体管几种类型。

  光敏电阻中最常用的材料为多晶体或非晶体的硫化镉半导体,对波长为500nm附近的黄绿光的响应最为灵敏,和人眼的频率响应很相似。

  硫化镉的能带间隙较小、灵敏度高。

  实际产品中为调整对光的频率响应并改善某些性能,以硫化镉和硒化镉或碲化镉混合的光敏电阻较为常见。

  光电二极管(Photo Diode)是由电阻率相当高的n型本征硅晶片制造的平面结构,本征硅的上表面做重度P型掺杂(通常是掺硼)形成PN结。

  为了使光能穿过而到达本征层,这一掺杂的P型层必须很薄,P型金属电极层外面覆盖透光氧化硅或氮化硅绝缘保护膜。

  光电晶体管需要更大的偏置电流,但与电流相伴的噪声迫使传感器的灵敏度转向更高的勒克斯范围。

  光电晶体管的检测响应时间与光电二极管相似,并可以利用偏置电流进行调整。

  偏置电流也可以随探测到的信号水平进行变化。

  光电晶体管能够粗略地确定环境光线水平,如室内/室外、白天/夜间以及明亮光线/阴影等状态,因此需要外部电路对输出信号进行校准。

  1.1 光传感器应用分析

  选择光传感器需要考虑因素包括光谱响应/IR抑制、最大勒克斯数、光敏度以及功耗等。

  环境光传感器应该仅对400nm至700nm光谱的范围有感应;最大勒克斯数一般为1万勒克斯左右;根据光传感器的镜片类别,光线通过镜片后,光衰减可以在25%-50%之间。

  多数硅基ALS光谱响应灵敏度峰值一般为接近人眼的光谱灵敏度峰值550nm。

  使用不同的芯片架构和滤波器分层,不仅能变换峰值灵敏度,还能抑制红外辐射。

  为适合不同光照条件,硅基光电探测系统要使用不同电阻,以便在不同分辨率之间不停地切换。

  要求传感器在在非常亮的环境光条件下能提供优化的调光能力。

  步进调光ALS相对于传统硅基光电传感器的一个重大改进是根据连续调光来提供合适的输入[3]。

  一些传感器提供非常小的封装,但需要一个外部放大器或无源元件来获取所需的输出信号。

  选取具有更高集成度的光传感器省去外部元件(ADC、放大器、电阻器、电容器等),线性电压输出、数字输出能够直接与处理器进行接口,将能简化系统硬件设计,提高稳定性。

  2 系统框架及硬件实现

  2.1 Windows Phone及其体系架构

  Windows Phone将采用与Windows 8相同的内核,仅需很少改动就能让应用在两个平台上运行,能给用户提供无缝的跨平台体验,实现多个屏幕的一致。

  Windows Phone支持多核心芯片组,双核甚至更多核处理器,硬件制造商可以为用户提供更丰富更多配置的WP8设备。

  在Windows Phone体系结构框架内,进行硬件系统设计综合考量成本、性能、外观等因素的前提下,追求终端系统可靠性。

  必须对硬件方案及各个模块进行深入了解,以便于编写程序和充分发挥硬件的性能。

  方案涉及到的硬件主要包括CPU模块、LCD模块、GPIO模块、ADC模块、环境光传感器模块。

  他们的硬件结构组成如图1所示。

  主控芯片采用分布式存储器架构的32位处理器AT91SAM9260,外设和外部接口之间的多重数据同时传送,而无需耗费CPU的时钟周期。

  外部总线接口(EBI)的时钟频率为133MHz,片外存储器的高速数据传送提升了微处理器性能[5]。

  智能终端中的应用处理器AP(Application Process)负责控制环境光检测及运行应用程序等这些非通信类的工作,GPIO(General Purpose Input Output)是嵌入式微控制器的通用输入/输出端口,当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口,或当系统需要采用远端串行通信或控制时,GPIO能够提供额外的控制和监视功能。

  GPIO具有低至1μA的功率损耗,集成IIC从机接口,即使在待机模式下也能够全速工作;加上内置多路高分辨率的PWM输出,可预先确定、缩短外部事件与中断之间的响应时间,控制匹配电流输出确保均匀的显示亮度。

  构成了传感器和处理器之间稳定的数据传输通道。

  系统可以通过PWM脉宽调制来调节背光亮度。

  背光调节是对其里面的LED(Light Emitting Diode)进行调节,采用数字或PWM的LED调光控制法以大于100Hz的开关工作频率,以脉宽调制的方法改变LED驱动电流的脉冲占空比来实现LED的调光控制,选用大于100HZ开关调光控制频率主要是为了避免人眼感觉到调光闪烁现象,在LED的PWM调光控制下,LED的发光亮度正比于PWM的脉冲占空比,采用PWM的LED调光控制的调光比范围可达3000:1。

  键盘背光灯为高亮发光二极管,可以通过电平高低控制暗灭状态,也可以通过PWM调节亮度。

  2.2 环境光传感器MAX9635[6]

  环境光传感器MAX9635应用组件包括光电二极管、电流放大器和无源低通滤波器。

  能够将所有这些器件集成到一个小型封装中对于便携式终端设备非常重要。

  MAX9635环境光传感器提供IIC数字输出,具有22位超宽动态范围。

  器件集成两个光电二极管和一个滤光器,可有效抑制紫外线和红外线,可很好地复现人眼的光学反应。

  先进的算法能够校准不同光源之间的光谱偏差,此外器件具有高动态范围优点,确保在所有环境光条件下实现高精度流明测量。

  光电二极管将光强转换为电流,然后通过低功耗电路处理为数字比特流。

  该比特流经数字处理并保存在输出寄存器内,可以通过IIC接口读取。

  片上可编程中断功能无需对器件进行连续的轮询数据查询,可以有效节省功耗。

  MAX9635具有较强的IR抑制,并且内部IR补偿机制能够把红外光的影响降至最小[6]。

  自适应增益电路可自动选择正确的流明范围优化测试。

  MAX9635芯片设计工作在1.7V至3.6V供电范围,满负荷工作时仅消耗0.65μA电流。

  通过分析发现具有一定的方向性,这在面板设计上需要加以考虑尽量安装到人体不易遮挡的地方。

  3 软件设计及实现

  3.1 软件设计功能要求

  Windows Phone设备驱动程序是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序,操作系统只有通过这个接口程序控制硬件设备的工作,根据传感器的特性曲线和工作方式,通过相关模块控制传感器工作来要完成环境光检测驱动。

  在Windows Phone操作系统下,控制面板由三个部分组成:Ctlpnl.exe、Control.exe和.CPL文件。

  Ctlpnl.exe和Control.exe是由操作系统来控制控制面板的文件视图和体系结构的。

  而“.CPL”文件则是用来实现控制面板功能的应用程序。

  要创建自己的控制面板应用程序,必须创建一个具有由Control.exe体系结构建立的必要的回调函数的“.CPL”文件。

  分析CPL程序的工作机制,掌握如何与驱动通信获取控制信息,然后将控制信息传递给所需要控制的LCD驱动,最终控制LCD的显示亮度。

  实际设计应考虑一下设计指标和功能。

  ①当关机或黑屏后停止环境光检测,关闭传感器电源;

  ②当环境光足够时LCD屏根据环境光使用较高亮度;

  ③当环境光不够时点亮键盘灯,LCD屏根据环境光使用较低亮度;

  ④检测完成后立即关闭sensor电源。

  通过对软件设计要求和设计详细指标的分析,软件系统大体可分为:环境光检测的驱动程序、Windows Phone控制板应用程序两大部分。

  底层驱动程序实现对件的直接控制实现其详细指标,上层应用程序实现界面的绘制和与用户交互。

  3.2 底层驱动程序的实现

  环境光传感器主要与GPIO118和ADC2相连接。

  环境光检测的驱动程序把GPIO与环境光传感器相连接的端口GPIO118配置为基本的GPIO模式作为环境光传感器电源的控制开关,对环境光传感器进行上电控制。

  完成与环境光传感器模拟输出连接,读取数模转换通道数据。

  根据所得数据辨别出当前环境光光照强度等级,完成对环境光传感器工作状态的控制和读取光照强度数据。

  根据以上分析首先进行GPIO配置。

  在boot_gpio.h文件中定义所有GPIO初始化值,通过程序修改对其初始化。

  系统启动device.exe程序加载并完成管脚配置,完成将管脚GPIO118配置为环境光传感器的电源开关控制管脚。

  4 结论

  本文提出一种基于Windows Phone的嵌入式系统设计方案,通过编写环境光传感器驱动采集外部光照强度,根据采集到的数据控制PWM输出信号的频率和占空比来调节背光亮度,以此来降低LCD和键盘背光灯的功耗,达到终端延长待机的目的。

  随着传感技术的发展,出现了多传感器融合的趋势,譬如环境光和接近感应整合传感器,在文中方案基础上稍加改进,能够实现接近感应功能从而进一步完善智能终端的人性化设计。

  【参考文献】

  [1]Margery Conner.环境光传感器协助应用变得更智能、更环保[J].电子设计技术,2009(11):42-44.

  [2]赵天池.传感器和探测器的物理原理和应用[M].北京:科学出版社,2008:25-26.

  [3]Andreas Vogler,Sonny Remigio.选择合适的环境光传感器来优化OLED性能[J].今日电子,2007(3):70-72.

  [4]Andy Wigley. Microsoft Mobile移动应用开发宝典[M].北京:清华大学出版社,2008.

  [5]王黎明,等.ARM9嵌入式系统开发与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

  [6]Prashanth Holenarsipur. MAX9635环境光传感器的接口程序[EB/OL].http://china.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/4786,2010-05-16.

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