接近传感器在触摸屏手机中的应用

接近传感器(CM3652)在触摸屏手机中的应用

在触摸屏手机流行之初，用户们就发现了触摸屏的一个缺陷：当我们用最常见的姿势接起电话时，往往脸部会碰到触摸屏幕上，无意中点击到了挂机键或者免提键，造成不必要的尴尬。于是，手机厂商将接近传感器设计进了触摸屏手机，在接电话的时候自动锁屏，避免误触发。另外，锁屏的同时还可以关掉背光，可以有效节能，延长待机时间。

接近传感器的原理非常简单，如下图。它本质上是一个光电二极管，在其旁边放置一个红外光波长的LED。当有物体靠近时，红外光发射的光会被物体反射回来，被接近传感器接收到，于是就感应到了物体接近。

图1：接近传感器的工作原理

为了保证接近感应功能的正常实现，需要注意一系列的问题。

首先是选取正确波长的LED。每一个接近传感器都有其特定的响应光谱，拿Intersil公司的ISL29208A来举例。图中橙色的线是人类眼睛的波长响应曲线，其只对350-600nm波长响应。绿色的线是ISL29028A环境光感应功能的响应曲线，这里不做详细介绍。红色的线是ISL29028A接近感应功能的响应曲线，可以看到它在700-950nm范围内灵敏度较高，820nm 是其最灵敏波长。考虑到LED采购的便利性，通常选用850nm波长的LED。

图2：ISL29028A对不同波长的响应灵敏度

选定好了工作波长，还要考虑LED的发射功率。显然，功率越大，接近感应的响应距离越远。图3是用不同发射功率和不同反射物体做的测试结果。由于ISL29028A是内置ADC 的集成数字式传感器，所以纵轴表示的是ISL29028A的ADC输出值。220mA和110mA也是通过设置ISL29028A内部的寄存器来控制的输出电流。问题来了：为了接近感应的功能，手机要额外负担100-200mA的功耗吗？显然是不合理的。不过不用担心，接近传感器的设计者早就想到了这一点，我们用脉冲式的工作方式，可以将平均功耗降到100uA左右，如图4。LED发射脉宽只有100us，每隔几十到几百ms发射一次，发射间歇ISL29028A处于休眠模式。具体的间隔时间可以通过ISL29028A内部的寄存器来设置。

图3：不同LED发射功率的接近响应曲线

图4：LED发射时序

接下来的问题尤为关键，就是设置LED与传感器之间的隔断。因为传感器必须设计在手机内部，上方有手机外壳密封，LED的光必须穿过透光外壳。但是外壳往往会直接将大量的光直接反射回来照射在接近传感器上。于是，即使没有物体接近的情况下，接近传感器都会接收到强烈的“反射光”，导致误判断。所以，需要在LED与传感器之间建一堵墙，让LED 的光不能在内部反射。如果设计两个360度包裹的套筒分别套住LED和传感器，效果最好。图中的A,B,C,D四个距离的推荐值为：

A=4-5mm

B=C=0.5-1mm

D=2mm

图5：有无隔断情况下接近传感器的响应

在软件设计方面，芯片厂商充分考虑了手机应用的实际场景，将很多软件工作集成到了芯片内部，设计了一系列简单易操作的寄存器并提供了标准I2C接口，使系统设计得以简化。除了刚才提到的LED驱动电流可编程，LED发射脉冲间隔可编程，ISL29028A还支持中断输出，芯片的第7脚为中断输出脚。通常我们用它来作为接近感应的中断输出。事先将设定好的上阈值（比如200）和下阈值（比如100）写入接近阈值寄存器，再结合图3中蓝色实线来看，当物体接近到5厘米时，即ADC读数达到200时，中断脚输出电平由高到低，表示此时有物体接近。当物体逐渐远离达到8厘米时，即ADC读数减小到100时，中断脚输出电平由低到高，表示此时物体已经远离。由于手机不需要对短时间的手指挥动等等动作作出接近响应，所以ISL29028A内部还有一个相当于滤波功能的寄存器，即传感器要连续n 次采样结果超过阈值才会触发中断，n的可选值为1,4,8,16。ISL29028A还有一个自动减除环境中红外光照射值的功能，保证其在阳光直射条件下不会输出饱和，维持正常的接近感应功能。

图6：ISL29028A内部框图

上文提到了ISL29028A除了有接近感应功能外还有环境光感应的功能，从图6的框图也可以看到其内部实际上有两个独立的光电二极管，并且有双路ADC。也就是说ISL29028A 也可以实时感应环境光亮度，自动调节背光。在户外阳光直射的情况下，将背光亮度调到最高，在夜间完全黑暗的环境中，又可以将背光亮度调低，有效的改善手机使用的舒适度，并且达到智能化功耗管理的目的。