Gestire la Luce Ambiente con TI OPT3001

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Introduzione

I sensori di luce ambientale o ALS (Ambient Light Sensor) sono dei dispositivi progettati per rilevare l’intensità della luce ambientale con una sensibilità quanto più possibile simile a quella dell’occhio umano. Generalmente vengono usati per calibrare la luminosità di dispositivi elettronici in base a delle condizioni di luce ambientale (backlight setting) per rendere quanto più gradevole, per l’occhio umano, la visione del dispositivo o dell’ambiente circostante. Per alcune loro applicazioni basti pensare alla regolazione della retro-illuminazione di schermi, della luminosità dei display (ad esempio telefoni, tablet), di tastierini numerici, per illuminazione notturna, illuminazione domestica e così via. Grazie a tali dispositivi si riesce a risparmiare energia per oltre il 50% sul sistema su cui vengono adoperati (power saving), in quanto consentono di ottimizzare la luminosità del sistema (autodimming) in funzione di quella che è la percezione dell’occhio umano richiesta dalla particolare condizione ambientale. Nel caso di applicazioni per ambienti come, ad esempio, appartamenti, dalla misura di alcuni parametri è possibile risalire all’illuminazione presente nell’ambiente di interesse, per poter adattare le condizioni di illuminazione in modo da rendere la visione degli oggetti in esso presenti (specie quelli a loro volta capaci di emettere radiazioni luminose) quanto più gradevole possibile per l’occhio umano, evitando nel contempo inutili sprechi energetici. Per tutte le tipologie di sensori in grado di rilevare la luce è perciò necessario che la sensibilità spettrale risulti essere quanto più simile alla curva di visibilità dell’occhio umano.

Questa è la caratteristica fondamentale che deve avere ogni buon rilevatore di luce ambientale. In questo ambito si colloca l’integrato della Texas Instruments (TI) OPT3001 che misura la luce ambiente che incide sul dispositivo. La risposta spettrale dell’OPT3001 si avvicina molto a quella dell’occhio umano, come vedremo successivamente. Nel caso in cui la misurazione del sensore sia utilizzata per contribuire a creare una buona esperienza visiva, o creare condizioni ottiche che sono ottimali per un essere umano, il sensore deve misurare lo stesso spettro di luce che l’uomo percepisce. Perciò, il dispositivo ha anche un’eccellente reiezione alla luce infrarossa (IR), che è particolarmente importante perché molte fonti di illuminazione reali hanno un significativo contenuto nell’infrarosso che gli esseri umani non percepiscono. Inoltre, se il sensore di luce ambientale è nascosto sotto una parte oscurata (tale che l’utente finale del prodotto non possa vedere il sensore) il filtro agli infrarossi dell’OPT3001 diventa significativamente più importante perché molte parti oscurate attenuano la luce visibile ma trasmettono la luce infrarossa. Questa attenuazione della luce visibile e la mancanza di attenuazione della luce IR amplifica il rapporto tra la luce infrarossa e luce visibile che illumina il sensore. Perciò, soprattutto in questi casi, maggiore è la reiezione agli IR, migliore è la condizione nella quale il sensore riesce ad assolvere il suo scopo.

PANORAMICA

Il dispositivo OPT3001 di TI ha una risposta spettrale molto vicina a quella dell’occhio umano, con un’ottima reiezione agli infrarossi. L’adattamento della risposta spettrale del sensore a quella della risposta dell’occhio umano è vitale perché, come anticipato, questi sensori di luce sono utilizzati per misurare e contribuire a creare esperienze d’illuminazione ideali. Perciò, una forte reiezione di luce infrarossa, che un essere umano non vede, è una componente fondamentale. Quanto detto è possibile riscontrarlo in Figura 1, in cui sono riportate due curve, la rossa è la risposta spettrale dell’occhio umano, in nero quella legata all’integrato della TI.

Figura 1: Confronto della risposta spettrale “dispositivo verso occhio umano”

In Figura 2A sono riportati il contenitore e la disposizione dei pin di questo integrato, mentre in Figura 2B è possibile vederne le funzionalità specifiche.

Figura 2A-B: Contenitore dell’OPT3001 e funzionalità dei pin

Il sistema di filtraggio ottico OPT3001 non è eccessivamente sensibile alle particelle “non ideali” e alle varie micro-ombre sulla superficie ottica, ma una corretta pulizia di questa zona del componente è sempre raccomandata per ottenere migliori risultati in tutti i sistemi. Il sistema di controllo a interrupt è dotato di funzionamento autonomo, consentendo al processore di entrare nella modalità sleep, mentre i sensori attendono adeguati eventi d’allarme per poterli segnalare tramite il pin di interrupt stesso. L’uscita digitale è riportata su un pin dell’interfaccia seriale a due fili (SMBus). Il basso consumo energetico e la possibilità di tensione di alimentazione bassa dell’OPT3001 consente di migliorare la durata della batteria dei sistemi alimentati con tale sistema. Tale integrato è completamente autosufficiente per misurare la luce ambiente e riportare il risultato in lux sul bus I2C e si avvia in uno stato di bassa potenza, in modo tale da avere un consumo di valore nominale solo dopo essere stato impostato in uno stato di funzionamento d’interesse. Le misure possono essere effettuate da 0,01 lux fino a 83 Klux senza selezionare manualmente la gamma di scala, ma semplicemente utilizzando la funzionalità di impostazione del fondo scala automatico. Questa capacità consente di misurare la luce in un intervallo dinamico efficace di 23-bit. Può essere configurato con una scala automatica che permette di impostare il fondo scala ottimale per le condizioni di illuminazione; questa modalità libera l’utente dal programmare il software con potenziali cicli iterativi di misura per la regolazione del fondo scala ottimale di ogni misura. Il dispositivo può essere impostato per funzionare in modo continuo o in modalità di misura singola, e il risultato può anche essere utilizzato per avvertire un sistema o un processore mediante l’apposito pin di interrupt (INT). Gestisce il risultato sopra i 100 ms o 800 ms, quindi gli effetti dei 50 Hz e delle sorgenti di rumore alla medesima frequenza (come le lampade fluorescenti di vecchio tipo) sono nominalmente ridotti al minimo. Passiamo a un’analisi più approfondita delle sue caratteristiche principali per capirne più a fondo gli aspetti positivi e comprendere come utilizzarlo al meglio.

CARATTERISTICHE PRINCIPALI

Per una maggiore comprensione del suo funzionamento interno, si faccia riferimento alla Figura 3, in cui è riportato il diagramma a blocchi funzionale.

Figura 3: Schema a blocchi funzionale

Come già anticipato, l’OPT3001 ha una funzionalità di impostazione automatica del fondo scala, che elimina la necessità di prevedere e impostare l’intervallo ottimale per il dispositivo. In questa modalità, il driver seleziona automaticamente la portata ottimale di fondo scala per la data condizione di illuminazione, eliminando il problema dei risultati variabili o la necessità di specifici intervalli e fattori di guadagno per la calibrazione, quando vengono scelti diversi intervalli in scala. La prima misura che il dispositivo effettua in modalità auto-calibrazione è una misura di 10 ms, determinando la gamma appropriata di fondo scala; per le misurazioni successive, il fondo scala viene impostato dal risultato della misura precedente:

  • se una misurazione è verso il lato basso del fondo scala, il fondo scala viene diminuito di un certo valore per la misura successiva;
  • se una misurazione è verso il lato superiore del fondo scala, il fondo scala viene aumentato di un certo valore per la misura successiva;
  • se la misura supera il fondo scala (derivante da aumento rapido di un evento transitorio), la misura corrente viene interrotta e non viene segnalata.

Il dispositivo è dotato di un sistema di segnalazione di allarme che consente al processore connesso al bus I2C di poter entrare in modalità sleep, o altrimenti di ignorare i risultati del dispositivo, fino a quando un evento definito dall’utente non si verifica. In alternativa, questo stesso meccanismo può anche essere utilizzato con qualsiasi sistema in grado di usufruire di un unico segnale digitale che indica se la luce è sopra o sotto i livelli di interesse. Le condizioni di evento di interrupt sono controllate dal registro di limite superiore e da quello inferiore, così come dal registro di configurazione latch e fault; i risultati dei due registri di limite vengono considerati come eventi di guasto (fault) e il registro di conteggio fault determina il numero di eventi consecutivi dello stesso risultato che sono necessari per attivare un evento di allarme e, successivamente, cambiare lo stato dei meccanismi di segnalazione di allarme, legati al pin INT. Il pin INT ha un’uscita a collettore aperto, che richiede l’impiego di un resistore di pull-up. Questa uscita permette a dispositivi multipli con pin INT open-drain di essere collegati alla stessa linea, creando così una logica NOR o funzione AND tra i vari dispositivi. La polarità del pin INT può essere controllata con la polarità di campo interrupt nel registro di configurazione. Il driver OPT3001 offre la compatibilità con il protocollo I2C e le interfacce SMBus. Tale integrato è collegato al bus con due pin, un pin di ingresso di clock SCL e un pin open-drain SDA di dati bidirezionale. Il bus deve essere controllato da un dispositivo master che genera il segnale di clock (SCL), controlla l’accesso al bus e genera le condizioni di start e stop. Per indirizzare un dispositivo specifico, il master gestisce a linea di dati SDA.

Questo dispositivo può essere utilizzato con varie modalità di funzionamento:

  • La modalità “confronto di finestra bloccata” è tipicamente selezionata quando si usa il driver OPT3001 per interrompere un processore esterno, infatti, in questa modalità un fault viene riconosciuto quando il segnale d’ingresso è sopra il registro di limite alto o al di sotto registro di limite basso. Quando gli eventi di fault consecutivi attivano l’interrupt, viene segnalato se il guasto è il risultato di un confronto tra valore alto o basso. Il tutto rimane bloccato fino a quando il registro di configurazione viene letto, solo successivamente viene ripulito il pin INT e i flag dei campi relativi.
  • La modalità di “confronto con isteresi” è tipicamente utilizzata quando è desiderabile un unico segnale digitale che indica se la luce di ingresso è maggiore o inferiore rispetto a un certo livello di illuminazione d’interesse. Se il risultato è superiore al limite superiore preimpostato (o viceversa è inferiore rispetto al limite inferiore impostato), per un numero consecutivo di eventi definiti dal campo “conteggio guasto”, allora il pin INT viene attivato. I pin e i flag relativi non cambiano stato con la configurazione di lettura e scrittura.
  • Una modalità “indicatore di fine conversione” può essere utilizzata quando è necessario che ogni misurazione deve essere letta dal processore, dipendentemente dal pin di INT al completamento di ogni misurazione. Questa modalità di fine conversione è tipicamente utilizzata in combinazione con la modalità di confronto finestra bloccata. Il pin INT si disattiva quando il registro di configurazione viene letto o registro di configurazione è scritto con un determinato parametro.

Per quanto riguarda la progettazione del layout del PCB per il dispositivo OPT3001, essa richiede un paio di considerazioni. Come mostrato in Figura 4, è fortemente consigliato disaccoppiare l’alimentazione con un condensatore posizionato vicino all'OPT3001.

Figura 4: Layout del PCB per l’OPT3001

Si noti che le superfici otticamente riflettenti di vari componenti, influenzano anche la prestazione complessiva del progetto, perciò la geometria tridimensionale di tutti i componenti e delle strutture del sensore devono essere prese seriamente in considerazione, per evitare che si presentino risultati inattesi dalle riflessioni ottiche secondarie. Generalmente è consigliato (e sufficiente) un posizionamento dei condensatori e dei componenti a una distanza di almeno due volte l’altezza del componente. Il layout ottimale per l’ottica è di posizionare tutti i componenti stretti sul lato opposto del PCB rispetto all’OPT3001; tuttavia, questo approccio può non essere pratico per eventuali vincoli progettuali. Infine, è consigliata una connessione elettrica dalla superficie di dissipazione termica (pad) alla massa; questo collegamento può essere creato sia con tracce PCB, sia con passaggi (fori) a massa direttamente sul pad termico stesso. Se il pad termico contiene questi passaggi, allora è raccomandato che abbiano un piccolo diametro (< 0,2 mm) per evitare che la saldatura si sposti dalla superfice appropriata.

CONCLUSIONI

Come abbiamo visto, i sensori di luce ambientale sono utilizzati in un’ampia varietà di applicazioni che richiedono il controllo in funzione della luminosità dell’ambiente. In tale ambito, la TI fornisce un ottimo integrato che nominalmente ha una risposta spettrale molto vicina a quella dell’occhio umano per permettere maggiori performance; in più, come precedentemente visto, è possibile sfruttarlo associato a un microprocessore, per poterlo utilizzare in modalità ancora più raffinate e performanti.

Articolo della rivista cartacea Firmware Anno 2015 - Numero 108

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