基于光强传感器TSL256x的感测系统方案设计

　　1、TSL256x简介
　　
　　TSL2560和TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。该芯片可广泛应用于各类显示屏的监控，目的是在多变的光照条件下，使得显示屏提供*的显示亮度并尽可能降低电源功耗；还可以用于街道光照控制、安全照明等众多场合。该芯片的主要特点如下：
　　
　　◇可编程设置许可的光强度上下阈值，当实际光照度超过该阈值时给出中断信号；
　　
　　◇数字输出符合标准的SMBus（TSL2560）和I2C（TSL2561）总线协议；
　　
　　◇模拟增益和数字输出时间可编程控制；
　　
　　◇1.25mm×1.75mm超小封装，在低功耗模式下，功耗仅为0.75mW；
　　
　　◇自动抑制50Hz/60Hz的光照波动。
　　
　　2、TSL256x的引脚功能
　　
　　TSL256x有2种封装形式：6LEADCHIPSCALE和6LEADTMB。封装形式不同，相应的光照度计算公式也不同。图1为这两种封装形式的引脚分布图。　　　　
　　各引脚的功能如下：
　　
　　脚1和脚3：分别是电源引脚和信号地。其工作电压范围是2.7～3.5V。
　　
　　脚2：器件访问地址选择引脚。由于该引脚电平不同，该器件有3个不同的访问地址。访问地址与电平的对应关系如表1所列。
　　　　
　　脚4和脚6：I2C或SMBus总线的时钟信号线和数据线。
　　
　　脚5：中断信号输出引脚。当光强度超过用户编程设置的上或下阈值时，器件会输出一个中断信号。
　　
　　3、TSL256x的内部结构和工作原理
　　
　　TSL256x是第二代周围环境光强度传感器，其内部结构如图２所示。通道0和通道1是两个光敏二极管，其中通道0对可见光和红外线都敏感，而通道1仅对红外线敏感。积分式A/D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量，在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。当一个积分周期完成之后，积分式A/D转换器将自动开始下一个积分转换过程。微控制器和TSL2560可通过标准的SMBus（SystemManagementBus）V1.1或V2.0实现，TSL2561则可通过I2C总线协议访问。对TSL256x的控制是通过对其内部的16个寄存器的读写来实现的，其地址如表2所列。　　　　　　
　　4、TSL256x应用设计
　　
　　TSL256x的访问遵循标准的SMBus和I2C协议，这使得该芯片软硬件设计变得非常简单。这两种协议的读写时序虽然很类似，但仍存在不同之处。下面仅以TSL2561芯片为例，说明TSL256x光强传感器的实际应用。
　　
　　4.1硬件设计
　　
　　TSL2561可以通过I2C总线访问，所以硬件接口电路非常简单。如果所选用的微控制器带有I2C总线控制器，则将该总线的时钟线和数据线直接与TSL2561的I2C总线的SCL和SDA分别相连；如果微控制器内部没有上拉电阻，则还需要再用2个上拉电阻接到总线上。如果微控制器不带I2C总线控制器，则将TSL2561的I2C总线的SCL和SDA与普通I/O口连接即可；但编程时需要模拟I2C总线的时序来访问TSL2561，INT引脚接微控制器的外部中断。硬件连接如图3所示。　　　　
　　4.2软件设计
　　
　　微控制器可以通过I2C总线协议对TSL2561进行读写。写数据时，先发送器件地址，然后发送要写的数据。TSL2561的写操作过程如下：先发送一组器件地址；然后写命令码，命令码是接下来写寄存器的地址00h～0fh和写寄存器的方式，是以字节、字或块（几个字）为单位进行写操作的；zui后发送要写的数据，根据前面命令码规定写寄存器的方式，可以连续发送要写的数据，内部写寄存器会自动加1。对于I2C协议具体的读写时序，可以参考相关资料，在此不再赘述。TSL2561的软件设计流程如图4所示。　　　　
　　限于篇幅，在此给出对TSL2561读写操作的部分程序：
　　
　　unsignedcharTSL2561_write_byte（unsignedcharaddr,unsignedcharc）{
　　
　　unsignedcharstatus=0;
　　
　　status=twi_start（）;//开始
　　
　　status=twi_writebyte（TSL2561_ADDR|TSL2561_WR）;//写TSL2561地址
　　
　　status=twi_writebyte（0x80|addr）;//写命令
　　
　　status=twi_writebyte（c）;//写数据
　　
　　twi_stop（）;//停止
　　
　　delay_ms（10）;//延时10ms
　　
　　return0;
　　
　　}
　　
　　unsignedcharTSL2561_read_byte（unsignedcharaddr,unsignedchar*c）{
　　
　　unsignedcharstatus=0;
　　
　　status=twi_start（）;//开始
　　
　　status=twi_writebyte（TSL2561_ADDR|TSL2561_WR）;//写TSL2561地址
　　
　　status=twi_writebyte（0x80|addr）;//写命令
　　
　　status=twi_start（）;//重新开始
　　
　　status=twi_writebyte（TSL2561_ADDR|TSL2561_RD）;//写TSL2561地址
　　
　　status=twi_readbyte（c,TW_NACK）;//写数据
　　
　　twi_stop（）;
　　
　　delay_ms（10）;
　　
　　return0;
　　
　　}
　　
　　当积分式A/D转换器转换完成后，可以从通道0寄存器和通道1寄存器读取相应的值CH0和CH1，但是要以Lux（流明）为单位，还要根据CH0和CH1进行计算。对于TMB封装，假设光强为E（单位为Lux），则计算公式如下：
　　
　　①0<CH1/CH0≤0.50
　　
　　E=0.0304×CH0-0.062×CH0×（CH1/CH0）1/4
　　
　　②0.50<CH1/CH0≤0.61
　　
　　E=0.0224×CH0-0.031×CH1
　　
　　③0.61<CH1/CH0≤0.80
　　
　　E=0.0128×CH0-0.0153×CH1
　　
　　④0.80<CH1/CH0≤1.30
　　
　　E=0.00146×CH0-0.00112×CH1
　　
　　⑤CH1/CH0>1.30
　　
　　E=0
　　
　　对于CHIPSCALE封装，计算公式可以查看相应的芯片资料。
　　
　　5、结论
　　
　　采用TSL256x实现光强度实时监测的系统，具有精度高、成本低、体积小等优点。芯片内部集成了积分式A/D转换器，采用数字信号输出，因此抗*力比同类芯片强。该芯片在光强监测控制领域已得到广泛应用。