接近感應(yīng)為人機(jī)界面(HMI)提供了額外的維度，能夠檢測(cè)用戶(hù)的接近。結(jié)合環(huán)境光感應(yīng)，基于光的接近檢測(cè)可以自動(dòng)激活辦公設(shè)備和消費(fèi)產(chǎn)品中的系統(tǒng)及其顯示器。

對(duì)于許多開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，實(shí)施基于光的接近感應(yīng)帶來(lái)了多種挑戰(zhàn)，傳感器光譜靈敏度的適用性，傳感器和光源的接口設(shè)計(jì)和機(jī)械放置。然而，Vishay Semiconductor的集成解決方案滿(mǎn)足了這些要求。

本文將介紹接近感應(yīng)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，然后展示Vishay的解決方案如何讓開(kāi)發(fā)人員輕松地將接近檢測(cè)功能添加到他們的設(shè)計(jì)中。

接近感應(yīng)的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)

接近感應(yīng)是從汽車(chē)安全到消費(fèi)產(chǎn)品的應(yīng)用的一個(gè)支持功能。為了滿(mǎn)足每個(gè)應(yīng)用的獨(dú)特要求，開(kāi)發(fā)人員使用截然不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)接近感應(yīng)。例如，在汽車(chē)安全應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)人員通常使用能夠在遠(yuǎn)距離傳遞非?？焖夙憫?yīng)的飛行時(shí)間方法(ToF)。相比之下，移動(dòng)電話開(kāi)發(fā)人員通常依靠基于電容的方法在電話顯示器接近用戶(hù)臉時(shí)自動(dòng)關(guān)閉電話顯示器。

對(duì)于許多其他應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)更傳統(tǒng)的光感應(yīng)滿(mǎn)足接近檢測(cè)要求將反射光水平轉(zhuǎn)換為距離的方法。這些方法提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，能夠以比電容方法更大的距離檢測(cè)用戶(hù)，但不能擴(kuò)展范圍或ToF方法的快速響應(yīng)。

通過(guò)測(cè)量從接近用戶(hù)反射的光，當(dāng)用戶(hù)在指定距離內(nèi)移動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)可以激活產(chǎn)品。同時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟的產(chǎn)品還需要提供在適合環(huán)境照明水平的照明水平下打開(kāi)的顯示器。隨著消費(fèi)者需要更智能的產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)人員需要能夠滿(mǎn)足接近檢測(cè)和環(huán)境光感應(yīng)要求的解決方案，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和集成的影響最小。

雙重職責(zé)

Vishay VCNL4200解決了這些問(wèn)題將接近傳感器和環(huán)境光傳感器組合在一個(gè)模塊中的要求。通過(guò)提供接近檢測(cè)和環(huán)境光感應(yīng)，該模塊可作為自動(dòng)顯示激活和亮度控制，智能設(shè)備激活，照明控制，物體檢測(cè)等應(yīng)用的現(xiàn)成解決方案。

設(shè)計(jì)用于Vishay VCNL4200簡(jiǎn)化了各種應(yīng)用的集成，包括支持接近感應(yīng)(PS)和環(huán)境光感應(yīng)(ALS)所需的所有光學(xué)和電子子系統(tǒng)。內(nèi)置鏡頭分別為紅外發(fā)射器(IRED)和光電探測(cè)器提供±15°和±30°的緊密聚焦角度。由于這些光學(xué)元件集成在同一個(gè)封裝中，因此為其系統(tǒng)構(gòu)建物理設(shè)計(jì)的工程師只需確保IRED和光電二極管使用足夠大的開(kāi)口以適應(yīng)各自的角度。根據(jù)VCNL4200鏡頭與任何外蓋之間的距離，這些開(kāi)口的直徑只需要幾毫米。

除了光學(xué)子系統(tǒng)的機(jī)械考慮因素外，PS和ALS的光學(xué)特性也是如此不需要設(shè)計(jì)師的進(jìn)一步努力。雖然PS系統(tǒng)的中心光譜頻率為940納米(nm)，但ALS系統(tǒng)提供的光譜響應(yīng)非常類(lèi)似于人眼，其中心頻率峰值約為550 nm(圖1)。

圖1：晶圓級(jí)干涉濾光片使Vishay VCNL4200環(huán)境光傳感器能夠提供與人眼感知的照度水平一致的測(cè)量結(jié)果。 (圖片：Vishay Semiconductor)

Vishay利用其專(zhuān)有的Filtron技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這種明視光譜響應(yīng)，該技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝技術(shù)在芯片本身上構(gòu)建適當(dāng)?shù)母缮鏋V光片。因此，ALS系統(tǒng)測(cè)量的環(huán)境光強(qiáng)度與人類(lèi)感知的強(qiáng)度一致。

PS和ALS子系統(tǒng)與其獨(dú)立的光譜響應(yīng)一起使用單獨(dú)的組件獨(dú)立運(yùn)行。對(duì)于接近度測(cè)量，該器件使用匹配的IRED和光電二極管以及專(zhuān)用的12位/16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來(lái)產(chǎn)生PS值。對(duì)于環(huán)境光感應(yīng)，該器件提供單獨(dú)的光電二極管和專(zhuān)用的16位ADC，用于生成ALS值。

并行操作，設(shè)備的接近度和環(huán)境光傳感器均支持不同的操作模式。開(kāi)發(fā)人員可以將該設(shè)備用作純傳感器，以測(cè)量環(huán)境光水平或反射紅外光的相對(duì)強(qiáng)度，以用于他們自己的算法。例如，設(shè)備的PS功能提供與距離成反比的反射光值(圖2)。如圖所示，PS系統(tǒng)可以在非常近的距離處飽和，從而限制了其在電容方法可能更好地服務(wù)的測(cè)量應(yīng)用中的有效性。

圖2：在給定的脈沖長(zhǎng)度設(shè)置(9T = 240微秒(μs))和脈沖重復(fù)(MPS = 8)時(shí)，Vishay VCNL4200接近傳感器提供的接近值與距離成反比，不僅在短距離(A)，甚至在距離超過(guò)1.5米(B)的距離。 (圖像：Vishay Semiconductors)

接近中斷

VCNL4200為僅需要檢測(cè)用戶(hù)在指定距離內(nèi)接近的應(yīng)用程序提供了更簡(jiǎn)單的方法。在這里，開(kāi)發(fā)人員將設(shè)備寄存器設(shè)置為合適的閾值，并指定在設(shè)備識(shí)別閾值事件之前所需的連續(xù)測(cè)量次數(shù)。在典型的測(cè)量序列期間，只要測(cè)量的接近值超過(guò)上限閾值，設(shè)備就會(huì)向主機(jī)MCU發(fā)送中斷信號(hào)，或者在連續(xù)N次發(fā)生后降至低于下限閾值(圖3)。因此，設(shè)計(jì)人員可以將主機(jī)MCU置于接近事件之間的低功耗狀態(tài)，從而節(jié)省整體系統(tǒng)功耗。

圖3：在N次連續(xù)測(cè)量后，只要接近值超過(guò)閾值，開(kāi)發(fā)人員就可以對(duì)VCNL4200進(jìn)行編程以發(fā)出中斷(“D”和“E”) (“D”)或低于閾值(“F”)而忽略瞬態(tài)事件(“B”)。 (圖像：Vishay Semiconductors)

使用這種中斷驅(qū)動(dòng)方法，開(kāi)發(fā)人員在器件上電后設(shè)置上限閾值和下限閾值(圖中步驟“A”)。通過(guò)將所需的連續(xù)出現(xiàn)次數(shù)設(shè)置為某個(gè)值N> 1，設(shè)備可以忽略單個(gè)事件(“B”)，即使在那些情況下也允許MCU保持低功率狀態(tài)。當(dāng)接近值超過(guò)閾值(“C”)時(shí)，器件在對(duì)應(yīng)于N次連續(xù)測(cè)量(“D”)的時(shí)間段后發(fā)出中斷。

中斷喚醒MCU后，MCU將清除中斷(“E”)并完成與接近檢測(cè)相關(guān)的操作。例如，在消費(fèi)類(lèi)電器中，這些操作可能包括打開(kāi)設(shè)備及其顯示屏，使用環(huán)境光感應(yīng)來(lái)設(shè)置顯示屏亮度。

當(dāng)接近值稍后下降時(shí)，表示用戶(hù)已移開(kāi)，設(shè)備將發(fā)出另一個(gè)中斷(“F”)，允許主機(jī)MCU采取適當(dāng)?shù)拇胧珀P(guān)閉設(shè)備及其顯示。

最小化開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)施這種功能相對(duì)較少。硬件接口只需要幾個(gè)額外的組件即可完成設(shè)計(jì)(圖4)。除了去耦電容外，開(kāi)發(fā)人員還需要添加一個(gè)小型驅(qū)動(dòng)器，例如由3.8至5.5伏VIRED電源供電的Vishay SI2301 PMOS FET。

圖4：設(shè)計(jì)人員完成VCNL4200傳感器設(shè)計(jì)，只需少量附加組件，包括用于驅(qū)動(dòng)集成紅外線電流脈沖的Vishay SI2301 PMOS FET發(fā)射器的當(dāng)前電平由RLED的值設(shè)定。 (圖片：Vishay Semiconductors)

內(nèi)部LED柵極驅(qū)動(dòng)器使用器件的LED陰極輸出脈沖外部FET，外部FET又將電流脈沖施加到電流水平的內(nèi)部紅外發(fā)射器(LED +)由連接到LED引腳的外部電阻(RLED)控制。在處理器端，VCNL4200中斷線(INT)和I 2 C線連接到相應(yīng)的MCU引腳。

命令界面同樣簡(jiǎn)單明了。設(shè)備命令代碼提供對(duì)PS和ALS傳感器輸出數(shù)據(jù)的讀訪問(wèn)，以及對(duì)兩個(gè)傳感器子系統(tǒng)的單獨(dú)配置寄存器的讀寫(xiě)訪問(wèn)。開(kāi)發(fā)人員使用簡(jiǎn)單的事務(wù)協(xié)議在I 2 C總線上讀取和寫(xiě)入這些寄存器(圖5)。

圖5：主機(jī)MCU使用簡(jiǎn)單的寫(xiě)(A)控制I 2 C總線上的VCNL4200傳感器并讀取(B)將傳感器響應(yīng)(灰色)與主機(jī)請(qǐng)求(白色)散布在一起的協(xié)議。 (圖像：Vishay Semiconductors)

這里，總線主控器(通常是主機(jī)MCU)通過(guò)發(fā)送從地址，寫(xiě)周期(圖5中的“W”)，命令來(lái)啟動(dòng)寫(xiě)序列代碼，以及16位字的低字節(jié)和高字節(jié)(圖5A)。從VCNL4200讀取數(shù)據(jù)涉及兩個(gè)步驟，其中總線主控器首先將適當(dāng)?shù)淖x取命令代碼寫(xiě)入VCNL4200，然后啟動(dòng)(圖5B中的“S”)讀取周期(“Rd”)以獲取數(shù)據(jù)(圖5B) 。總線事務(wù)協(xié)議包括VCNL4200(帶陰影的“A”)和總線主控(“A”和“N”)的確認(rèn)。

實(shí)際上，開(kāi)發(fā)人員通常只需要在配置寄存器中編程一些設(shè)置典型應(yīng)用。對(duì)于接近感應(yīng)，開(kāi)發(fā)人員可將積分時(shí)間設(shè)置為從大約30μs(PS_IT = 1T)到240微秒(μs)(PS_IT = 9T)和占空比(PS_DUTY)的值，范圍從1/160到1/1280。

使用不同的占空比設(shè)置，開(kāi)發(fā)人員可以控制傳感器的響應(yīng)時(shí)間和功耗。在最大占空比(1/160)下，器件將以更快的速率測(cè)量，但會(huì)增加其功耗。例如，使用2.7Ω的RLED將產(chǎn)生800毫安(mA)電流脈沖。在1/160占空比時(shí)，VCNL4200每5 ms執(zhí)行一次測(cè)量，但平均電流消耗為800/160 = 5 mA。在最小占空比(1/1280)下，傳感器測(cè)量?jī)H每300 ms發(fā)生一次，但平均功耗將下降近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

開(kāi)發(fā)平臺(tái)

幫助開(kāi)發(fā)人員通過(guò)VCNL4020的配置選項(xiàng)，Vishay提供了一個(gè)傳感器入門(mén)套件，可提供評(píng)估軟件程序，USB加密狗和插入加密狗的傳感器板。雖然該套件配有VCNL4020傳感器板，但開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)聯(lián)系Vishay傳感器技術(shù)支持獲得免費(fèi)的VCNL4200傳感器板。

將傳感器板連接到USB加密狗后，開(kāi)發(fā)人員可以運(yùn)行評(píng)估軟件程序研究不同寄存器設(shè)置對(duì)傳感器特性和性能的影響。