紅外接近感測：搭建模塊，機械考量以及設計折中

接近感測基于紅外信號的采集和處理，通常需要兩個部件來構成光學前端：一個紅外LED和一個光傳感器。紅外LED向被感測物體射出一束紅外信號，一部分信號會反射回來，被紅外CMOS光傳感器探測到。通過片上的信號調理和模數轉換，被數字化的紅外信號可以由微處理器或MCU進行后處理，用于各種各樣的接近感測用途。

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一個典型的紅外接近感測系統是由一個光學前端、模擬混合信號處理電路，和一定的機械結構組成的。要做出一個有效的設計，重要的一點是理解接近感測的原理、電路構建模塊、機械設計考量、接近感測算法和典型的接近特性。機械部分的設計通常要根據不同應用平臺進行設計折中，例如手機、PDA、筆記本電腦和各種消費類產品。設計折中包括器件選型、放置尺寸、玻璃鏡片特性、光學設計，以及應用算法和軟件實施。

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集成的環境光感測和接近感測系統不但能測出周圍的光環境，還能探測正在接近或遠離的物體。這樣微處理器或MCU就能做出更復雜的控制和調整決定，更好地改善系統的能量效率，實現很多用戶友好的應用。例如，如果手機能夠知道你正把手機貼近耳朵來接聽電話，MCU就可以關掉不用的子系統，例如顯示屏、鍵盤或觸摸屏，來節省能量，并避免用戶無意當中碰到按鍵。

紅外接近感測的基礎

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紅外接近感測可以用下面的圖來簡單描述。圖1顯示了一個例子，當在接近探測路徑上沒有感測物體時，就不會有反射回來的紅外信號被接近傳感器捕獲到。

相反，當感測物體處在可探測的距離內時，如圖2所示，接近傳感器會捕捉到反射回來的紅外信號。接近讀數與捕獲的紅外光信號的強度成線性比，與距離的平方成反比。

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圖2

圖2，在接近探測區域有感測物體。

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典型的數字接近感測傳感器功能框圖

圖3顯示了典型的數字環境光和接近傳感器中的電路功能框圖。光敏二極管陣列是信號調理和采集光學前端的部件。集成的ADC可以把捕獲的光信號轉換成數字化的數據流，送給微控制器進行后處理，實現不同的應用目的。

不同的配置指令可以通過I2C接口寫入。用戶還可通過同一個數字接口讀出環境光和接近距離的數據流。中斷功能直接送到MCU，由MCU控制一個紅外LED驅動器，按照接近探測循環期間編程設定和控制的時鐘周期，為發射紅外信號提供所需的前向電流。

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圖3：典型的接近傳感器功能框圖。

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機械設計的考量

1)選擇紅外LED

光學前端的另一個重要部件是紅外LED。不同的紅外LED具有不同的峰值波長、發光強度和視角。典型峰值波長為850nm～950nm的高亮度紅外LED與ISL29011接近傳感器的光譜相匹配。窄視角和更高的發光強度能夠加大接近探測的距離。選擇一款視角、機械占位、發光強度和功耗都比較均衡的紅外LED是很重要的。

2)器件的放置尺寸

元器件的放置在機械設計中起著十分關鍵的作用，決定了接近探測的距離遠近。這里有許多決定因素：傳感器和障礙物之間的空間距離，障礙物和紅外LED之間的距離，障礙物高度的變化，尤其是是否使用光導管。圖4顯示了一個采用典型元器件放置尺寸的接近感測系統解決方案。

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圖4，典型的器件放置尺寸

3)玻璃窗口的尺寸和放置

對于一個平面鏡片，視角是塑料或玻璃材料折射率的函數。更密實的材料(折射率更高)的有效視角更小，低密度介質的視角更寬。窗口鏡片對光傳感器的視角有明確的限制。窗口鏡片應該直接放到傳感器的頂部，鏡片的厚度應該盡量薄，以減少光強的損失。

4)接近感測系統算法

完成元器件選型和設計之后，一個穩定耐用的接近感測系統還需要光傳感器在各種環境光條件下對不同的感測物體做動態的自校準。一個優秀的接近感測算法是必不可少的，能夠幫助接近感測硬件智能地避開來自不同的機械設計局限和惡劣的周邊環境的重重障礙，從而持續、穩定地探測距離。

5)典型的接近測量

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圖5

在接近感測系統上采用了各種設計和實施方法后，就能夠得到一個不錯的接近感測測試系統，如圖5所示。環境光和接近感測系統根據特定用戶應用的要求進行了優化。在平衡了上述設計折中后，消費者能夠對系統的各個方面進行精準地調整，滿足應用的要求。

附注：光學基礎

大多數光源發出的光都包含可見光和紅外光譜成分。不同的光源可以有近似的以流明衡量的可見光強度，但是紅外光譜的響應相差會很大。在測量光強時，必須考慮到光的頻譜特性和光學傳感器的頻譜敏感度的差異。采用CMOS工藝的光傳感器能探測到大多數紅外輻射(峰值敏感度為880nm)，因此會誤報真實的環境(可見的)狀況。

對于燈泡之類的光源，傳感器信號要比人眼看到的數量多得多。由這類傳感器控制的照明方案的響應可能與環境光譜不符，從而限制了最大接近感測距離。要建立更合適的減光或照明控制，作為接近感測系統解決方案的一部分，一顆能模仿人眼對最大紅外信號反應的傳感器是必不可少的。圖6顯示了一個光學傳感器的光譜響應，非常適合環境光感測。該圖還顯示了在接近感測中所使用的紅外波長的光譜。

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圖6，傳感器的接近感測和傳感器的環境光響應光譜。