基于TSL256x系列传感器实现光强度监测系统的设计

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，使得显示屏提供最佳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；

◇ 1.25 mm×1.75 mm超小封装，在低功耗模式下，功耗仅为0.75 mW；

◇ 自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动。

2 TSL256x的引脚功能

TSL256x有2种封装形式： 6LEAD CHIPSCALE和6LEAD TMB。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。

图1 TSL256x封装

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。

表1 器件访问地址与引脚2电平的对应关系

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（ System Management Bus） 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。

图2 TSL256x内部结构图

表2 TSL256x内部寄存器地址及作用

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。

图3 微控制器与TSL2561的硬件连接图

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，命令码是指定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；最后发送要写的数据，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。

图4 软件设计流程

限于篇幅，在此给出对TSL2561读写操作的部分程序：

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

unsigned char status=0;

status=twi_start（）;//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10 ms

return 0;

}

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

unsigned char status=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）;

return 0;

}

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：

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

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，因此抗干扰能力比同类芯片强。该芯片在光强监测控制领域已得到广泛应用。