基于TSL256x系列傳感器實現(xiàn)光強度監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1 TSL256x簡介

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度數(shù)字轉換芯片。該芯片可廣泛應用于各類顯示屏的監(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、安全照明等眾多場合。該芯片的主要特點如下：

◇ 可編程設置許可的光強度上下閾值，當實際光照度超過該閾值時給出中斷信號；

◇ 數(shù)字輸出符合標準的SMBus（TSL2560）和I2C（TSL2561）總線協(xié)議；

◇ 模擬增益和數(shù)字輸出時間可編程控制；

◇ 1.25 mm×1.75 mm超小封裝，在低功耗模式下，功耗僅為0.75 mW；

◇ 自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動。

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，相應的光照度計算公式也不同。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地。其工作電壓范圍是2.7～3.5V。

腳2： 器件訪問地址選擇引腳。由于該引腳電平不同，該器件有3個不同的訪問地址。訪問地址與電平的對應關系如表1所列。

表1 器件訪問地址與引腳2電平的對應關系

腳4和腳6： I2C或SMBus總線的時鐘信號線和數(shù)據(jù)線。

腳5： 中斷信號輸出引腳。當光強度超過用戶編程設置的上或下閾值時，器件會輸出一個中斷信號。

3 TSL256x的內部結構和工作原理

TSL256x是第二代周圍環(huán)境光強度傳感器，其內部結構如圖２所示。通道0和通道1是兩個光敏二極管，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，而通道1僅對紅外線敏感。積分式A/D轉換器對流過光敏二極管的電流進行積分，并轉換為數(shù)字量，在轉換結束后將轉換結果存入芯片內部通道0和通道1各自的寄存器中。當一個積分周期完成之后，積分式A/D轉換器將自動開始下一個積分轉換過程。微控制器和TSL2560可通過標準的SMBus（ System Management Bus） V1.1或V2.0實現(xiàn)，TSL2561則可通過I2C總線協(xié)議訪問。對TSL256x的控制是通過對其內部的16個寄存器的讀寫來實現(xiàn)的，其地址如表2所列。

圖2 TSL256x內部結構圖

表2 TSL256x內部寄存器地址及作用

4 TSL256x應用設計

TSL256x的訪問遵循標準的SMBus和I2C協(xié)議，這使得該芯片軟硬件設計變得非常簡單。這兩種協(xié)議的讀寫時序雖然很類似，但仍存在不同之處。下面僅以TSL2561芯片為例，說明TSL256x光強傳感器的實際應用。

4.1 硬件設計

TSL2561可以通過I2C總線訪問，所以硬件接口電路非常簡單。如果所選用的微控制器帶有I2C總線控制器，則將該總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線直接與TSL2561的I2C總線的SCL和SDA分別相連；如果微控制器內部沒有上拉電阻，則還需要再用2個上拉電阻接到總線上。如果微控制器不帶I2C總線控制器，則將TSL2561的I2C總線的SCL和SDA與普通I/O口連接即可；但編程時需要模擬I2C總線的時序來訪問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 軟件設計

微控制器可以通過I2C總線協(xié)議對TSL2561進行讀寫。寫數(shù)據(jù)時，先發(fā)送器件地址，然后發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)。TSL2561的寫操作過程如下： 先發(fā)送一組器件地址；然后寫命令碼，命令碼是指定接下來寫寄存器的地址00h～0fh和寫寄存器的方式，是以字節(jié)、字或塊（幾個字）為單位進行寫操作的；最后發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，根據(jù)前面命令碼規(guī)定寫寄存器的方式，可以連續(xù)發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，內部寫寄存器會自動加1。對于I2C協(xié)議具體的讀寫時序，可以參考相關資料，在此不再贅述。TSL2561的軟件設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程

限于篇幅，在此給出對TSL2561讀寫操作的部分程序：

unsigned char TSL2561_write_byte（ unsigned char addr， unsigned char c） {

unsigned char status=0;

status=twi_start（）;//開始

status=twi_writebyte（TSL2561_ADDR|TSL2561_WR）;//寫TSL2561地址

status=twi_writebyte（0x80|addr）;//寫命令

status=twi_writebyte（c）;//寫數(shù)據(jù)

twi_stop（ ）;//停止

delay_ms（10）;//延時10 ms

return 0;

}

unsigned char TSL2561_read_byte（ unsigned char addr， unsigned char *c） {

unsigned char status=0;

status= twi_start（ ）;//開始

status=twi_writebyte（TSL2561_ADDR|TSL2561_WR）;//寫TSL2561地址

status=twi_writebyte（0x80|addr）;//寫命令

status=twi_start（ ）;//重新開始

status=twi_writebyte（TSL2561_ADDR|TSL2561_RD）;//寫TSL2561地址

status=twi_readbyte（c，TW_NACK）;//寫數(shù)據(jù)

twi_stop（ ）;

delay_ms（10）;

return 0;

}

當積分式A/D轉換器轉換完成后，可以從通道0寄存器和通道1寄存器讀取相應的值CH0和CH1，但是要以Lux（流明）為單位，還要根據(jù)CH0和CH1進行計算。對于TMB封裝，假設光強為E（單位為Lux），則計算公式如下：

① 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

③ 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

⑤ CH1/CH0》1.30

E=0

對于CHIPSCALE封裝，計算公式可以查看相應的芯片資料。

5 結論

采用TSL256x實現(xiàn)光強度實時監(jiān)測的系統(tǒng)，具有精度高、成本低、體積小等優(yōu)點。芯片內部集成了積分式A/D轉換器，采用數(shù)字信號輸出，因此抗干擾能力比同類芯片強。該芯片在光強監(jiān)測控制領域已得到廣泛應用。