TMD3700 - датчик наближення, освітлення і кольору від ams

Наши партнеры ArtmMisto

Компанія ams славиться своїм особливим підходом до створення датчиків. Цей підхід полягає в досягненні максимальної функціональності за рахунок інтеграції безлічі різних сенсорів і допоміжних блоків в одному малогабаритному корпусі. Наприклад, нові мікросхеми TMD3700 об'єднують в собі три 16-бітних датчика кольору (синій, зелений, червоний), 16-бітний датчик освітленості, датчик наближення з роздільною здатністю 8 біт, інфрачервоний світлодіод, логіку управління, систему харчування і контролер I2C.

Мал. 1. Багатофункціональна мікросхема TMD3700 від ams

Мікросхеми і датчики для сучасних мобільних додатків повинні забезпечувати високу функціональність, малі габарити і мінімальний рівень споживання. Іноді ці вимоги суперечать один одному, а іноді добре поєднуються.

Як відомо, в сучасних мікросхемах напівпровідникові кристали мають вельми скромні розміри, а кінцеві габарити визначаються корпусним виконанням. Це особливо помітно при використанні стандартних корпусів (SOIC, TSSOP і т. Д.). Якщо ж відмовитися від стандартних рішень і використовувати власну упаковку, то можна домогтися значного виграшу в розмірах без втрати функціональності.

З іншого боку, якщо помістити в одному корпусі декілька датчиків, то можна оптимізувати число допоміжний блоків. Наприклад, для всіх вбудованих сенсорів реально використовувати загальні ланцюга харчування і тактирования, один блок управління і один контролер комунікаційного інтерфейсу (наприклад, I2C, SPI і т. Д.).

Інтеграція декількох датчиків в одному корпусі також дозволяє зменшити число комунікаційних ліній, тим самим спрощуючи схему включення і розведення друкованої плати. Крім того, стає можливим оптимізація режимів зниженого споживання, що, як було сказано вище, є важливим фактором для сучасних мобільних додатків з акумуляторним живленням.

Прикладом використання запропонованого підходу з максимальним рівнем інтеграції є мікросхеми і датчики від компанії ams. Інженери з ams формують набір цільових сенсорів, організують спільні блоки управління і живлення і поміщають отримане рішення в унікальний корпус оптимального типорозміру. В результаті користувачі отримують багатофункціональну систему з мінімальними габаритами і низьким споживанням. Все це відноситься і до нових мікросхем датчиків TMD3700x.

TMD3700 - система в корпусі, що включає в себе: три датчика кольору (синій, зелений, червоний), датчик освітленості, датчик наближення з вбудованим інфрачервоним світлодіодом, чотири 16-бітних АЦП для датчиків кольору і освітленості, 8-бітний АЦП для датчика наближення, логіку управління, систему харчування і тактирования цифрової частини схеми, джерело струму для харчування ІК-світлодіоди, контролер I2C (рис. 2).

Мал. 2. Структурна схема SIP-мікросхеми TMD3700 від ams

Всі перераховані датчики і функціональні блоки вміщаються в одному 8-вивідному малогабаритному корпусі розміром 4,00x1,75x1,00 мм (рис. 3).

Мал. 3. Корпус і розташування висновків TMD3700

Датчики кольору і датчик рівня загальної освітленості використовують лінзу і прозоре вікно, вбудовані в корпус мікросхеми. Ефективний кут для падаючих променів становить 45 градусів (рис. 4).

Мал. 4. Діаграма спрямованості лінзи в TMD3700

Для кожного з датчиків кольору і освітленості призначений індивідуальний фотодіод (рис. 5). При цьому для сенсорів кольору ширина спектра виявляється досить вузькою. Це зроблено для зменшення впливу інших довжин хвиль і для отримання точних результатів. Центральні довжини хвиль для цих датчиків складають 465/530/620 нм. Спектр датчика освітленості досить широкий - від 400 до 700 нм.

Мал. 5. Спектр датчиків кольору і освітленості в TMD3700

Вихідні аналогові сигнали, що знімаються з датчиків кольору і освітленості, можуть бути посилені з коефіцієнтами 0,25 / 1/4/16 / 64. Їх оцифровка проводиться за допомогою 16-бітових АЦП. Характеристика перетворення виявляється практично лінійної (рис. 6).

Мал. 6. Характеристика перетворення датчиків кольору і освітленості в TMD3700

Оптична система TMD3700 має фільтри УФ та ІЧ-випромінювання. Останній факт важливий для усунення впливу ІК-світлодіоди, використовуваного для датчика наближення. Довжина хвилі випромінювання ІЧ-світлодіода становить 950 нм.

Датчик наближення дозволяє визначати відстань до об'єкта аж до 15 см. При цьому дальність виявлення залежить від чотирьох чинників (рис. 7):

• величини струму через інфрачервоний світлодіод;
• числа вимірювальних імпульсів;
• тривалості вимірювальних імпульсів;
• коефіцієнта посилення вихідного сигналу фотоприймача (1/2/4/8).

Мал. 7. Залежність чутливості датчика наближення від різних факторів

При виборі складу сенсорів для мікросхеми TMD3700 розробники явно орієнтувалися на мобільні додатки: смартфони, планшети та ігрові пристрої. Зокрема, датчик наближення може бути використаний для визначення положення рук над екраном пристрою, що важливо для ігор і для визначення піднесений чи телефон до вуха користувача. Датчики освітленості і кольору необхідні для коригування налаштувань дисплея. Вони дозволяють підлаштовувати яскравість екрану при різних рівнях освітлення і регулювати підсвічування залежно від складових спектра навколишнього фонового світла.

Так як мова йде про мобільних додатках, то одним з ключових чинників при виборі мікросхем є рівень споживання. В даному випадку TMD3700 показує цілком адекватні результати. В активному режимі струм споживання становить до 150 мкА без урахування струму ІК-світлодіоди. У режимі очікування, коли датчики неактивні, ток падає до 60 мкА. За допомогою команд по I2C користувач може відключити систему тактирования і перевести TMD3700 в сплячий режим. В такому випадку споживання складе і зовсім 5 мкА.

Схема підключення TMD3700 досить проста (рис. 8). Вона вимагає наявності всього лише декількох пасивних компонентів: резисторів підтяжки на I2C, блокуючих конденсаторів і захисного резистора по харчуванню.

Мал. 8. Схема включення SIP-мікросхеми TMD3700

Для максимально швидкого ознайомлення з можливостями мікросхем TMD3700 слід скористатися налагоджувальний набором TMD3700 EVM (рис. 9). Цей набір включає: основну плату з встановленим мікро контролером PIC, дочірню плату з модулем TMD3700, USB-кабель.

Мал. 9. Зовнішній вигляд отладочного набору TMD3700 EVM

Робота з налагоджувальний набором ведеться за допомогою прикладної програми для ПК, яку можна завантажити з сайту ams. Дана утиліта дозволяє в режимі реального часу налаштовувати датчики і отримувати результати їх вимірювань (рис. 10).

Мал. 10. Вікно програми для роботи з налагоджувальний набором TMD3700 EVM

Характеристики приймача TMD37003:

• Вбудовані датчики: датчик наближення, датчик освітленості, датчики кольору (R, G, B);
• Діапазон вимірюваного рівня освітленості: 100 МЛК ... 60 КЛК;
• Довжини хвиль пікової чутливості датчиків RGB: 465 нм, 530 нм, 620 нм;
• Розрядність вбудованого АЦП датчиків освітленості і кольору: 16 біт;
• Розрядність вбудованого АЦП датчика наближення: 8 біт;
• Довжина хвилі ІЧ-діода: 950 нм;
• Комунікаційний інтерфейс: I2C;
• Адреса в мережі I2C: 39h (29h за запитом TMD37007);
• Струм споживання: до 150 мкА в активному режимі, до 60 мкА в режимі очікування, до 5 мкА в режимі сну;
• Напруга живлення: 1,7 ... 2,0 В (цифрове харчування), 3,3 В для живлення ІК-світлодіода;
• Діапазон робочих температур: -0 ... + 85 ° C;
• Корпус: 8-вивідний 4,00x1,75x1,00 мм.

Склад отладочного набору TMD3700 EVM:

• основна плата для підключення до ПК через USB-інтерфейс. Побудована на базі мікроконтролера PIC;
• дочірня плата з модулем TMD3700;
• USB-кабель.