基于光强传感器TSL256x的感测系统设计

摘要 TSL256x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传感器芯片。本文简要介绍了TSL256x的基本特点、引脚功能、内部结构和工作原理，给出了TSL2561的实用电路、软件设计流程以及程序。
关键词 光强传感器 TSL256x I2C总线 积分式A/D转换器

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；
◇ 1.25 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；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。

  

参考文献:

[1]. TSL2561 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TSL2561_1678244.html.
[2]. TSL2560 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TSL2560_1678241.html.