基于光強(qiáng)傳感器TSL256x的感測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

TSL256x是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)傳感器芯片。本文簡(jiǎn)要介紹了TSL256x的基本特點(diǎn)、引腳功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了TSL2561的實(shí)用電路、軟件設(shè)計(jì)流程以及核心程序。

關(guān)鍵詞 光強(qiáng)傳感器 TSL256x I2C總線(xiàn) 積分式A/D轉(zhuǎn)換器

1  TSL256x簡(jiǎn)介

　　TSL2560和TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。該芯片可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)顯示屏的監(jiān)控，目的是在多變的光照條件下，使得顯示屏提供最佳的顯示亮度并盡可能降低電源功耗；還可以用于街道光照控制、安全照明等眾多場(chǎng)合。該芯片的主要特點(diǎn)如下：

　　◇ 可編程設(shè)置許可的光強(qiáng)度上下閾值，當(dāng)實(shí)際光照度超過(guò)該閾值時(shí)給出中斷信號(hào)；
　　◇ 數(shù)字輸出符合標(biāo)準(zhǔn)的SMBus(TSL2560)和I2C(TSL2561)總線(xiàn)協(xié)議；
　　◇ 模擬增益和數(shù)字輸出時(shí)間可編程控制；
　　◇ 1.25 mm×1.75 mm超小封裝，在低功耗模式下，功耗僅為0.75 mW；
　　◇ 自動(dòng)抑制50 Hz/60 Hz的光照波動(dòng)。

2  TSL256x的引腳功能

　　TSL256x有2種封裝形式： 6LEAD CHIPSCALE和6LEAD TMB。封裝形式不同，相應(yīng)的光照度計(jì)算公式也不同。圖1為這兩種封裝形式的引腳分布圖。

圖1  TSL256x封裝

　　各引腳的功能如下：

　　腳1和腳3： 分別是電源引腳和信號(hào)地。其工作電壓范圍是2.7～3.5V。
　　腳2： 器件訪(fǎng)問(wèn)地址選擇引腳。由于該引腳電平不同，該器件有3個(gè)不同的訪(fǎng)問(wèn)地址。訪(fǎng)問(wèn)地址與電平的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。

表1  器件訪(fǎng)問(wèn)地址與引腳2電平的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　腳4和腳6： I2C或SMBus總線(xiàn)的時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)。
　　腳5： 中斷信號(hào)輸出引腳。當(dāng)光強(qiáng)度超過(guò)用戶(hù)編程設(shè)置的上或下閾值時(shí)，器件會(huì)輸出一個(gè)中斷信號(hào)。

3  TSL256x的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

　　TSL256x是第二代周?chē)h(huán)境光強(qiáng)度傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示。通道0和通道1是兩個(gè)光敏二極管，其中通道0對(duì)可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)都敏感，而通道1僅對(duì)紅外線(xiàn)敏感。積分式A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)流過(guò)光敏二極管的電流進(jìn)行積分，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入芯片內(nèi)部通道0和通道1各自的寄存器中。當(dāng)一個(gè)積分周期完成之后，積分式A/D轉(zhuǎn)換器將自動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)積分轉(zhuǎn)換過(guò)程。微控制器和TSL2560可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMBus( System Management Bus) V1.1或V2.0實(shí)現(xiàn)，TSL2561則可通過(guò)I2C總線(xiàn)協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)。對(duì)TSL256x的控制是通過(guò)對(duì)其內(nèi)部的16個(gè)寄存器的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其地址如表2所列。

圖2  TSL256x內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表2  TSL256x內(nèi)部寄存器地址及作用

4  TSL256x應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　TSL256x的訪(fǎng)問(wèn)遵循標(biāo)準(zhǔn)的SMBus和I2C協(xié)議，這使得該芯片軟硬件設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。這兩種協(xié)議的讀寫(xiě)時(shí)序雖然很類(lèi)似，但仍存在不同之處。下面僅以TSL2561芯片為例，說(shuō)明TSL256x光強(qiáng)傳感器的實(shí)際應(yīng)用。

4.1  硬件設(shè)計(jì)

　　TSL2561可以通過(guò)I2C總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)，所以硬件接口電路非常簡(jiǎn)單。如果所選用的微控制器帶有I2C總線(xiàn)控制器，則將該總線(xiàn)的時(shí)鐘線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)直接與TSL2561的I2C總線(xiàn)的SCL和SDA分別相連；如果微控制器內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，則還需要再用2個(gè)上拉電阻接到總線(xiàn)上。如果微控制器不帶I2C總線(xiàn)控制器，則將TSL2561的I2C總線(xiàn)的SCL和SDA與普通I/O口連接即可；但編程時(shí)需要模擬I2C總線(xiàn)的時(shí)序來(lái)訪(fǎng)問(wèn)TSL2561，INT引腳接微控制器的外部中斷。硬件連接如圖3所示。

圖3  微控制器與TSL2561的硬件連接圖
 

4.2  軟件設(shè)計(jì)

　　微控制器可以通過(guò)I2C總線(xiàn)協(xié)議對(duì)TSL2561進(jìn)行讀寫(xiě)。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送器件地址，然后發(fā)送要寫(xiě)的數(shù)據(jù)。TSL2561的寫(xiě)操作過(guò)程如下： 先發(fā)送一組器件地址；然后寫(xiě)命令碼，命令碼是指定接下來(lái)寫(xiě)寄存器的地址00h～0fh和寫(xiě)寄存器的方式，是以字節(jié)、字或塊（幾個(gè)字）為單位進(jìn)行寫(xiě)操作的；最后發(fā)送要寫(xiě)的數(shù)據(jù)，根據(jù)前面命令碼規(guī)定寫(xiě)寄存器的方式，可以連續(xù)發(fā)送要寫(xiě)的數(shù)據(jù)，內(nèi)部寫(xiě)寄存器會(huì)自動(dòng)加1。對(duì)于I2C協(xié)議具體的讀寫(xiě)時(shí)序，可以參考相關(guān)資料，在此不再贅述。TSL2561的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4  軟件設(shè)計(jì)流程

　　限于篇幅，在此給出對(duì)TSL2561讀寫(xiě)操作的部分程序：

unsigned char TSL2561_write_byte( unsigned char addr, unsigned char c) {
　　unsigned char status=0;
　　status=twi_start();//開(kāi)始
　　status=twi_writebyte(TSL2561_ADDR|TSL2561_WR);//寫(xiě)TSL2561地址
　　status=twi_writebyte(0x80|addr);//寫(xiě)命令
　　status=twi_writebyte(c);//寫(xiě)數(shù)據(jù)
　　twi_stop( );//停止
　　delay_ms(10);//延時(shí)10 ms
　　return 0;
}
unsigned char TSL2561_read_byte( unsigned char addr, unsigned char *c) {
　　unsigned char status=0;
　　status= twi_start( );//開(kāi)始
　　status=twi_writebyte(TSL2561_ADDR|TSL2561_WR);//寫(xiě)TSL2561地址
　　status=twi_writebyte(0x80|addr);//寫(xiě)命令
　　status=twi_start( );//重新開(kāi)始
　　status=twi_writebyte(TSL2561_ADDR|TSL2561_RD);//寫(xiě)TSL2561地址
　　status=twi_readbyte(c,TW_NACK);//寫(xiě)數(shù)據(jù)
　　twi_stop( );
　　delay_ms(10);
　　return 0;
}

　　當(dāng)積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成后，可以從通道0寄存器和通道1寄存器讀取相應(yīng)的值CH0和CH1，但是要以L(fǎng)ux（流明）為單位，還要根據(jù)CH0和CH1進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于TMB封裝，假設(shè)光強(qiáng)為E（單位為L(zhǎng)ux），則計(jì)算公式如下：

　?、?nbsp; 0<CH1/CH0≤0.50
　　E=0.030 4×CH0-0.062×CH0×(CH1/CH0)1/4
　　②  0.50<CH1/CH0≤0.61
　　E=0.022 4×CH0-0.031×CH1
　?、?nbsp; 0.61<CH1/CH0≤0.80
　　E=0.012 8×CH0-0.015 3×CH1
　　④  0.80<CH1/CH0≤1.30
　　E=0.001 46×CH0-0.001 12×CH1
　?、?nbsp; CH1/CH0>1.30
　　E=0

　　對(duì)于CHIPSCALE封裝，計(jì)算公式可以查看相應(yīng)的芯片資料。

5  結(jié)論

　　采用TSL256x實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，具有精度高、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。芯片內(nèi)部集成了積分式A/D轉(zhuǎn)換器，采用數(shù)字信號(hào)輸出，因此抗干擾能力比同類(lèi)芯片強(qiáng)。該芯片在光強(qiáng)監(jiān)測(cè)控制領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。