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。
提出一種基于Windows Phone的嵌入式系統設計方案，編寫(xiě)環(huán)境光傳感器驅動(dòng)采集外部光照強度，優(yōu)化檢測靈敏度來(lái)降低光傳感器的功耗，根據采集到的數據控制(PWM)輸出信號的頻率和占空比調節背光亮度，降低LCD和鍵盤(pán)背光燈功耗，實(shí)現自適應控制屏幕亮度并延長(cháng)設備待機時(shí)間。
【關(guān)鍵詞】環(huán)境光傳感器;智能終端;脈沖寬度調制
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將其處理轉化成對應的輸出電壓信號的傳感器，感測周?chē)饩�(xiàn)的同時(shí)，它還能告知處理芯片自動(dòng)調節顯示器背光亮度，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(cháng)電池的工作時(shí)間，有助于顯示器提供柔和的畫(huà)面。
本文在分析環(huán)境光傳感器工作原理的基礎上，著(zhù)眼于提高檢測靈敏度和抗干擾能力的同時(shí)，從而降低光傳感器的功耗。
提出一種基于Windows Phone系統設計方案，通過(guò)編寫(xiě)環(huán)境光傳感器驅動(dòng)采集外部光照強度調節背光亮度，以此來(lái)降低LCD和鍵盤(pán)背光燈的功耗，實(shí)現自適應控制屏幕亮度和延長(cháng)智能終端電池使用時(shí)間。
1 環(huán)境光傳感器分類(lèi)及特點(diǎn)
環(huán)境光傳感器(ALS)是一類(lèi)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(shí)光電二極管有較大電流，無(wú)光照時(shí)光電二極管沒(méi)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(lèi)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(cháng)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(shí)際產(chǎn)品中為調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(jiàn)。
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構，本征硅的上表面做重度P型摻雜(通常是摻硼)形成PN結。
為了使光能穿過(guò)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向更高的勒克斯范圍。
光電晶體管的檢測響應時(shí)間與光電二極管相似，并可以利用偏置電流進(jìn)行調整。
偏置電流也可以隨探測到的信號水平進(jìn)行變化。
光電晶體管能夠粗略地確定環(huán)境光線(xiàn)水平，如室內/室外、白天/夜間以及明亮光線(xiàn)/陰影等狀態(tài)，因此需要外部電路對輸出信號進(jìn)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、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;最大勒克斯數一般為1萬(wàn)勒克斯左右;根據光傳感器的鏡片類(lèi)別，光線(xiàn)通過(guò)鏡片后，光衰減可以在25%-50%之間。
多數硅基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)化的調光能力。
步進(jìn)調光ALS相對于傳統硅基光電傳感器的一個(gè)重大改進(jìn)是根據連續調光來(lái)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(gè)外部放大器或無(wú)源元件來(lái)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(xiàn)性電壓輸出、數字輸出能夠直接與處理器進(jìn)行接口，將能簡(jiǎn)化系統硬件設計，提高穩定性。
2 系統框架及硬件實(shí)現
2.1 Windows Phone及其體系架構
Windows Phone將采用與Windows 8相同的內核，僅需很少改動(dòng)就能讓?xiě)迷趦蓚�(gè)平臺上運行，能給用戶(hù)提供無(wú)縫的跨平臺體驗，實(shí)現多個(gè)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(hù)提供更豐富更多配置的WP8設備。
在Windows Phone體系結構框架內，進(jìn)行硬件系統設計綜合考量成本、性能、外觀(guān)等因素的前提下，追求終端系統可靠性。
必須對硬件方案及各個(gè)模塊進(jìn)行深入了解，以便于編寫(xiě)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。
他們的硬件結構組成如圖1所示。
主控芯片采用分布式存儲器架構的32位處理器AT91SAM9260，外設和外部接口之間的多重數據同時(shí)傳送，而無(wú)需耗費CPU的時(shí)鐘周期。
外部總線(xiàn)接口(EBI)的時(shí)鐘頻率為133MHz，片外存儲器的高速數據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(lèi)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(méi)有足夠的I/O端口，或當系統需要采用遠端串行通信或控制時(shí)，GPIO能夠提供額外的控制和監視功能。
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(shí)間，控制匹配電流輸出確保均勻的顯示亮度。
構成了傳感器和處理器之間穩定的數據傳輸通道。
系統可以通過(guò)PWM脈寬調制來(lái)調節背光亮度。
背光調節是對其里面的LED(Light Emitting Diode)進(jìn)行調節，采用數字或PWM的LED調光控制法以大于100Hz的開(kāi)關(guān)工作頻率，以脈寬調制的方法改變LED驅動(dòng)電流的脈沖占空比來(lái)實(shí)現LED的調光控制，選用大于100HZ開(kāi)關(guān)調光控制頻率主要是為了避免人眼感覺(jué)到調光閃爍現象，在LED的PWM調光控制下，LED的發(fā)光亮度正比于PWM的脈沖占空比，采用PWM的LED調光控制的調光比范圍可達3000：1。
鍵盤(pán)背光燈為高亮發(fā)光二極管，可以通過(guò)電平高低控制暗滅狀態(tài)，也可以通過(guò)PWM調節亮度。
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(wú)源低通濾波器。
能夠將所有這些器件集成到一個(gè)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數字輸出，具有22位超寬動(dòng)態(tài)范圍。
器件集成兩個(gè)光電二極管和一個(gè)濾光器，可有效抑制紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)，可很好地復現人眼的光學(xué)反應。
先進(jìn)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(dòng)態(tài)范圍優(yōu)點(diǎn)，確保在所有環(huán)境光條件下實(shí)現高精度流明測量。
光電二極管將光強轉換為電流，然后通過(guò)低功耗電路處理為數字比特流。
該比特流經(jīng)數字處理并保存在輸出寄存器內，可以通過(guò)IIC接口讀取。
片上可編程中斷功能無(wú)需對器件進(jìn)行連續的輪詢(xún)數據查詢(xún)，可以有效節省功耗。
MAX9635具有較強的IR抑制，并且內部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(dòng)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(mǎn)負荷工作時(shí)僅消耗0.65μA電流。
通過(guò)分析發(fā)現具有一定的方向性，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(shí)現
3.1 軟件設計功能要求
Windows Phone設備驅動(dòng)程序是一種可以使計算機和設備通信的特殊程序，操作系統只有通過(guò)這個(gè)接口程序控制硬件設備的工作，根據傳感器的特性曲線(xiàn)和工作方式，通過(guò)相關(guān)模塊控制傳感器工作來(lái)要完成環(huán)境光檢測驅動(dòng)。
在Windows Phone操作系統下，控制面板由三個(gè)部分組成：Ctlpnl.exe、Control.exe和.CPL文件。
Ctlpnl.exe和Control.exe是由操作系統來(lái)控制控制面板的文件視圖和體系結構的。
而“.CPL”文件則是用來(lái)實(shí)現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(gè)具有由Control.exe體系結構建立的必要的回調函數的“.CPL”文件。
分析CPL程序的工作機制，掌握如何與驅動(dòng)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驅動(dòng)，最終控制LCD的顯示亮度。
實(shí)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;
�、诋敪h(huán)境光足夠時(shí)LCD屏根據環(huán)境光使用較高亮度;
�、郛敪h(huán)境光不夠時(shí)點(diǎn)亮鍵盤(pán)燈，LCD屏根據環(huán)境光使用較低亮度;
�、軝z測完成后立即關(guān)閉sensor電源。
通過(guò)對軟件設計要求和設計詳細指標的分析，軟件系統大體可分為：環(huán)境光檢測的驅動(dòng)程序、Windows Phone控制板應用程序兩大部分。
底層驅動(dòng)程序實(shí)現對件的直接控制實(shí)現其詳細指標，上層應用程序實(shí)現界面的繪制和與用戶(hù)交互。
3.2 底層驅動(dòng)程序的實(shí)現
環(huán)境光傳感器主要與GPIO118和ADC2相連接。
環(huán)境光檢測的驅動(dòng)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(kāi)關(guān)，對環(huán)境光傳感器進(jìn)行上電控制。
完成與環(huán)境光傳感器模擬輸出連接，讀取數模轉換通道數據。
根據所得數據辨別出當前環(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據。
根據以上分析首先進(jìn)行GPIO配置。
在boot_gpio.h文件中定義所有GPIO初始化值，通過(guò)程序修改對其初始化。
系統啟動(dòng)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(kāi)關(guān)控制管腳。
4 結論
本文提出一種基于Windows Phone的嵌入式系統設計方案，通過(guò)編寫(xiě)環(huán)境光傳感器驅動(dòng)采集外部光照強度，根據采集到的數據控制PWM輸出信號的頻率和占空比來(lái)調節背光亮度，以此來(lái)降低LCD和鍵盤(pán)背光燈的功耗，達到終端延長(cháng)待機的目的。
隨著(zhù)傳感技術(shù)的發(fā)展，出現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，在文中方案基礎上稍加改進(jìn)，能夠實(shí)現接近感應功能從而進(jìn)一步完善智能終端的人性化設計。
【參考文獻】
[1]Margery Conner.環(huán)境光傳感器協(xié)助應用變得更智能、更環(huán)保[J].電子設計技術(shù)，2009(11)：42-44.
[2]趙天池.傳感器和探測器的物理原理和應用[M].北京：科學(xué)出版社，2008：25-26.
[3]Andreas Vogler，Sonny Remigio.選擇合適的環(huán)境光傳感器來(lái)優(yōu)化OLED性能[J].今日電子，2007(3)：70-72.
[4]Andy Wigley. Microsoft Mobile移動(dòng)應用開(kāi)發(fā)寶典[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.
[5]王黎明，等.ARM9嵌入式系統開(kāi)發(fā)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.
[6]Prashanth Holenarsipur. MAX9635環(huán)境光傳感器的接口程序[EB/OL].http：/pic/app-notes/index.mvp/id/4786，2010-05-16.
【智能終端中的應用軟件設計中的光傳感器】相關(guān)文章：
機電一體化中智能控制策略10-03
行為訪(fǎng)談法在面試中的應用技巧12-09
淺談學(xué)具在小學(xué)數學(xué)教學(xué)中的應用論文08-04
臨床護理路徑在腦出血護理中的應用09-07
論文范文：乳化瀝青在公路養護中的應用08-28