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

對于許多開發(fā)人員來說，實(shí)施基于光的接近感應(yīng)帶來了多種挑戰(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發(fā)人員輕松地將接近檢測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)是從汽車安全到消費(fèi)產(chǎn)品的應(yīng)用的一個支持功能。為了滿足每個應(yīng)用的獨(dú)特要求，開發(fā)人員使用截然不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)接近感應(yīng)。例如，在汽車安全應(yīng)用中，開發(fā)人員通常使用能夠在遠(yuǎn)距離傳遞非常快速響應(yīng)的飛行時間方法(ToF)。相比之下，移動電話開發(fā)人員通常依靠基于電容的方法在電話顯示器接近用戶臉時自動關(guān)閉電話顯示器。

對于許多其他應(yīng)用，開發(fā)人員可以通過更傳統(tǒng)的光感應(yīng)滿足接近檢測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用戶，但不能擴(kuò)展范圍或ToF方法的快速響應(yīng)。

通過測量從接近用戶反射的光，當(dāng)用戶在指定距離內(nèi)移動時，控制系統(tǒng)可以激活產(chǎn)品。同時，自動開啟的產(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的顯示器。隨著消費(fèi)者需要更智能的產(chǎn)品，開發(fā)人員需要能夠滿足接近檢測和環(huán)境光感應(yīng)要求的解決方案，同時對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和集成的影響最小。

雙重職責(zé)

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

設(shè)計(jì)用于Vishay VCNL4200簡化了各種應(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)非常類似于人眼，其中心頻率峰值約為550 nm(圖1)。

圖1：晶圓級干涉濾光片使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量結(jié)果。 (圖片：Vishay Semiconductor)

Vishay利用其專有的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)測量的環(huán)境光強(qiáng)度與人類感知的強(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。對于接近度測量，該器件使用匹配的IRED和光電二極管以及專用的12位/16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來產(chǎn)生PS值。對于環(huán)境光感應(yīng)，該器件提供單獨(dú)的光電二極管和專用的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。開發(fā)人員可以將該設(shè)備用作純傳感器，以測量環(huán)境光水平或反射紅外光的相對強(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)的測量應(yīng)用中的有效性。

圖2：在給定的脈沖長度設(shè)置(9T = 240微秒(μs))和脈沖重復(fù)(MPS = 8)時，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1.5米(B)的距離。 (圖像：Vishay Semiconductors)

接近中斷

VCNL4200為僅需要檢測用戶在指定距離內(nèi)接近的應(yīng)用程序提供了更簡單的方法。在這里，開發(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)備識別閾值事件之前所需的連續(xù)測量次數(shù)。在典型的測量序列期間，只要測量的接近值超過上限閾值，設(shè)備就會向主機(jī)MCU發(fā)送中斷信號，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)測量后，只要接近值超過閾值，開發(fā)人員就可以對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)動方法，開發(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”)。通過將所需的連續(xù)出現(xiàn)次數(shù)設(shè)置為某個值N> 1，設(shè)備可以忽略單個事件(“B”)，即使在那些情況下也允許MCU保持低功率狀態(tài)。當(dāng)接近值超過閾值(“C”)時，器件在對應(yīng)于N次連續(xù)測量(“D”)的時間段后發(fā)出中斷。

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

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

最小化開發(fā)

開發(fā)人員可以實(shí)施這種功能相對較少。硬件接口只需要幾個額外的組件即可完成設(shè)計(jì)(圖4)。除了去耦電容外，開發(fā)人員還需要添加一個小型驅(qū)動器，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。

命令界面同樣簡單明了。設(shè)備命令代碼提供對PS和ALS傳感器輸出數(shù)據(jù)的讀訪問，以及對兩個傳感器子系統(tǒng)的單獨(dú)配置寄存器的讀寫訪問。開發(fā)人員使用簡單的事務(wù)協(xié)議在I 2 C總線上讀取和寫入這些寄存器(圖5)。

圖5：主機(jī)MCU使用簡單的寫(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)通過發(fā)送從地址，寫周期(圖5中的“W”)，命令來啟動寫序列代碼，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)涉及兩個步驟，其中總線主控器首先將適當(dāng)?shù)淖x取命令代碼寫入VCNL4200，然后啟動(圖5B中的“S”)讀取周期(“Rd”)以獲取數(shù)據(jù)(圖5B) ?？偩€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。對于接近感應(yīng)，開發(fā)人員可將積分時間設(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，開發(fā)人員可以控制傳感器的響應(yīng)時間和功耗。在最大占空比(1/160)下，器件將以更快的速率測量，但會增加其功耗。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，VCNL4200每5 ms執(zhí)行一次測量，但平均電流消耗為800/160 = 5 mA。在最小占空比(1/1280)下，傳感器測量僅每300 ms發(fā)生一次，但平均功耗將下降近一個數(shù)量級。

開發(fā)平臺

幫助開發(fā)人員通過VCNL4020的配置選項(xiàng)，Vishay提供了一個傳感器入門套件，可提供評估軟件程序，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，但開發(fā)人員可以通過聯(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，開發(fā)人員可以運(yùn)行評估軟件程序研究不同寄存器設(shè)置對傳感器特性和性能的影響。