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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，編寫環境光傳感器驅動采集外部光照強度，優化檢測靈敏度來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和鍵盤背光燈功耗，實現自適應控制屏幕亮度并延長設備待機時間。
【關鍵詞】環境光傳感器;智能終端;脈沖寬度調制
環境光傳感器是一種能夠檢測到所在環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，感測周圍光線的同時，它還能告知處理芯片自動調節顯示器背光亮度，降低產品的功耗，使產品的智能化控制達到更高的水平[1]。
采用環境光傳感器可以最大限度地延長電池的工作時間，有助于顯示器提供柔和的畫面。
本文在分析環境光傳感器工作原理的基礎上，著眼于提高檢測靈敏度和抗干擾能力的同時，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，通過編寫環境光傳感器驅動采集外部光照強度調節背光亮度，以此來降低LCD和鍵盤背光燈的功耗，實現自適應控制屏幕亮度和延長智能終端電池使用時間。
1 環境光傳感器分類及特點
環境光傳感器(ALS)是一類特殊的光電傳感器，可以將光的強弱變為大小變化的電信號。
當有光照時光電二極管有較大電流，無光照時光電二極管沒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。
實際產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。
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間與光電二極管相似，并可以利用偏置電流進行調整。
偏置電流也可以隨探測到的信號水平進行變化。
光電晶體管能夠粗略地確定環境光線水平，如室內/室外、白天/夜間以及明亮光線/陰影等狀態，因此需要外部電路對輸出信號進行校準。
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1萬勒克斯左右;根據光傳感器的鏡片類別，光線通過鏡片后，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境光條件下能提供優化的調光能力。
步進調光ALS相對于傳統硅基光電傳感器的一個重大改進是根據連續調光來提供合適的輸入[3]。
一些傳感器提供非常小的封裝，但需要一個外部放大器或無源元件來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)，線性電壓輸出、數字輸出能夠直接與處理器進行接口，將能簡化系統硬件設計，提高穩定性。
2 系統框架及硬件實現
2.1 Windows Phone及其體系架構
Windows Phone將采用與Windows 8相同的內核，僅需很少改動就能讓應用在兩個平臺上運行，能給用戶提供無縫的跨平臺體驗，實現多個屏幕的一致。
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提供更豐富更多配置的WP8設備。
在Windows Phone體系結構框架內，進行硬件系統設計綜合考量成本、性能、外觀等因素的前提下，追求終端系統可靠性。
必須對硬件方案及各個模塊進行深入了解，以便于編寫程序和充分發揮硬件的性能。
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傳送，而無需耗費CPU的時鐘周期。
外部總線接口(EBI)的時鐘頻率為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)負責控制環境光檢測及運行應用程序等這些非通信類的工作，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，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PWM脈寬調制來調節背光亮度。
背光調節是對其里面的LED(Light Emitting Diode)進行調節，采用數字或PWM的LED調光控制法以大于100Hz的開關工作頻率，以脈寬調制的方法改變LED驅動電流的脈沖占空比來實現LED的調光控制，選用大于100HZ開關調光控制頻率主要是為了避免人眼感覺到調光閃爍現象，在LED的PWM調光控制下，LED的發光亮度正比于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。
鍵盤背光燈為高亮發光二極管，可以通過電平高低控制暗滅狀態，也可以通過PWM調節亮度。
2.2 環境光傳感器MAX9635[6]
環境光傳感器MAX9635應用組件包括光電二極管、電流放大器和無源低通濾波器。
能夠將所有這些器件集成到一個小型封裝中對于便攜式終端設備非常重要。
MAX9635環境光傳感器提供IIC數字輸出，具有22位超寬動態范圍。
器件集成兩個光電二極管和一個濾光器，可有效抑制紫外線和紅外線，可很好地復現人眼的光學反應。
先進的算法能夠校準不同光源之間的光譜偏差，此外器件具有高動態范圍優點，確保在所有環境光條件下實現高精度流明測量。
光電二極管將光強轉換為電流，然后通過低功耗電路處理為數字比特流。
該比特流經數字處理并保存在輸出寄存器內，可以通過IIC接口讀取。
片上可編程中斷功能無需對器件進行連續的輪詢數據查詢，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選擇正確的流明范圍優化測試。
MAX9635芯片設計工作在1.7V至3.6V供電范圍，滿負荷工作時僅消耗0.65μA電流。
通過分析發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 軟件設計及實現
3.1 軟件設計功能要求
Windows Phone設備驅動程序是一種可以使計算機和設備通信的特殊程序，操作系統只有通過這個接口程序控制硬件設備的工作，根據傳感器的特性曲線和工作方式，通過相關模塊控制傳感器工作來要完成環境光檢測驅動。
在Windows Phone操作系統下，控制面板由三個部分組成：Ctlpnl.exe、Control.exe和.CPL文件。
Ctlpnl.exe和Control.exe是由操作系統來控制控制面板的文件視圖和體系結構的。
而“.CPL”文件則是用來實現控制面板功能的應用程序。
要創建自己的控制面板應用程序，必須創建一個具有由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，最終控制LCD的顯示亮度。
實際設計應考慮一下設計指標和功能。
①當關機或黑屏后停止環境光檢測，關閉傳感器電源;
�、诋敪h境光足夠時LCD屏根據環境光使用較高亮度;
�、郛敪h境光不夠時點亮鍵盤燈，LCD屏根據環境光使用較低亮度;
�、軝z測完成后立即關閉sensor電源。
通過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：環境光檢測的驅動程序、Windows Phone控制板應用程序兩大部分。
底層驅動程序實現對件的直接控制實現其詳細指標，上層應用程序實現界面的繪制和與用戶交互。
3.2 底層驅動程序的實現
環境光傳感器主要與GPIO118和ADC2相連接。
環境光檢測的驅動程序把GPIO與環境光傳感器相連接的端口GPIO118配置為基本的GPIO模式作為環境光傳感器電源的控制開關，對環境光傳感器進行上電控制。
完成與環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境光光照強度等級，完成對環境光傳感器工作狀態的控制和讀取光照強度數據。
根據以上分析首先進行GPIO配置。
在boot_gpio.h文件中定義所有GPIO初始化值，通過程序修改對其初始化。
系統啟動device.exe程序加載并完成管腳配置，完成將管腳GPIO118配置為環境光傳感器的電源開關控制管腳。
4 結論
本文提出一種基于Windows Phone的嵌入式系統設計方案，通過編寫環境光傳感器驅動采集外部光照強度，根據采集到的數據控制PWM輸出信號的頻率和占空比來調節背光亮度，以此來降低LCD和鍵盤背光燈的功耗，達到終端延長待機的目的。
隨著傳感技術的發展，出現了多傳感器融合的趨勢，譬如環境光和接近感應整合傳感器，在文中方案基礎上稍加改進，能夠實現接近感應功能從而進一步完善智能終端的人性化設計。
【參考文獻】
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[3]Andreas Vogler，Sonny Remigio.選擇合適的環境光傳感器來優化OLED性能[J].今日電子，2007(3)：70-72.
[4]Andy Wigley. Microsoft Mobile移動應用開發寶典[M].北京：清華大學出版社，2008.
[5]王黎明，等.ARM9嵌入式系統開發與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[6]Prashanth Holenarsipur. MAX9635環境光傳感器的接口程序[EB/OL].http：//china.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/4786，2010-05-16.
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