CN113568060A - 一种近距离光学检测电路、方法及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近距离光学检测电路、方法及芯片，电路包括LDO稳压电路、采光模块以及处理模块，所述采光模块包括感光电路和采样电路，所述处理模块包括放大电路、ADC转换器以及数字处理集成电路，所述LDO稳压电路与感光电路和采样电路连接，所述采样电路与放大电路连接，所述放大电路与ADC转换器连接，所述数字处理集成电路分别与LDO稳压电路、放大电路以及ADC转换器连接。本发明显著提高了光学检测抗干扰能力、感光精度以及感光能力，通过自适应算法能适应不同的应用环境，还能实现间歇式检测，降低功耗，减少成本。

Description

一种近距离光学检测电路、方法及芯片

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种近距离光学检测电路、方法及芯片。

背景技术

目前光学近距离传感器应用已经普及，如手机屏幕开关、蓝牙耳机入耳检测、感应水龙头以及汽车后备箱感应开关等，在居多的家电、手机电脑周边及工业控制领域得到广泛的应用。

传统的近距离应用以MCU方案为主，如图1所示，其控制时序如图2所示，每次图像检测前先进行一次图像复位，通过采样器采样一次环境图像值(P₀)，再次复位，打开LED灯，采样一次环境加LED曝光图像值(P₁)，并设定距离感应阈值(P_th)，若满足P₁-P₀＞P_th，则判定目标物体靠近感应传感器。此方案存在以下问题：(1)由于采用外围元器件加MCU方案，增加硬件、加工成本；(2)检测功能由MCU方案控制，增加方案开发成本和延长推广周期；(3)感光单元的复位电压容易受外界干扰，检测准确性不高，难做更远距离或划等级距离检测；(4)在强光下图像值容易饱和，从而检测失灵。

除此之外，还有一种常见的图像感光采样电路，如图3所示，其中N0为图像复位管，N1为源跟随管，当图像复位时，光敏二极管负极端节点电压为(VDD–V_th)，为了使源跟随管N1能够源跟随而必须保证在图像采样时节点电压大于阈值电压V_th，可得出节点电压的动态范围为V_th～(VDD–V_th)，同时为了得到LED曝光和非曝光的图像差值，必须将曝光时间定在合理的范围内。但由于近距离检测应用的环境比较复杂，尤其会在强光下使用，这时为了保证节点电压不低于V_th，必须缩短曝光时间，而若要得到LED曝光和非曝光的图像差值，需要更大的LED曝光电流，因此必须采样外置驱动管，由此增加了硬件成本，电流的增大也会导致整体功耗的增加。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种近距离光学检测电路、方法及芯片。

第一方面，一种近距离光学检测电路，包括LDO稳压电路、采光模块以及处理模块，所述采光模块包括感光电路和采样电路，所述处理模块包括放大电路、ADC转换器以及数字处理集成电路，所述LDO稳压电路与感光电路和采样电路连接，所述采样电路与放大电路连接，所述放大电路与ADC转换器连接，所述数字处理集成电路分别与LDO稳压电路、放大电路以及ADC转换器连接。

进一步地，所述LDO稳压电路包括LDO稳压器和图像复位管，所述感光电路包括发光二极管和可变电容，所述LDO稳压器与图像复位管连接，图像复位管与发光二极管的负极端和可变电容的正极端连接，发光二极管的正极端接地，可变电容的负极端接地。

进一步地，所述采样电路的采样方式为单通道分时采样，包括第一采样器和第二采样器，所述第一采样器与第二采样器并联。

进一步地，所述放大电路包括运算放大器和开关电路，所述开关电路并联于运算放大器的反向输入端与输出端之间，所述开关电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关与第二开关并联。

进一步地，

当第一开关接通，第二开关断开时，运算放大器作为电压跟随器；

当第一开关断开，第二开关接通时，运算放大器作为差分放大器。

第二方面，一种近距离光学检测方法，步骤包括：

数字处理集成电路配置图像曝光时间和外接LED灯的驱动电流，以进行常规环境光检测；

采光模块采样常规环境光图像并得到第一图像值，数字处理集成电路调节配置LDO稳压器输出电压和可变电容值，以控制第一图像值的ADC转换值在ADC转换器量程的

范围内；

数字处理集成电路根据所述可变电容的配置值调整运算放大器的增益，以满足外接LED灯曝光时的感应能力；

采光模块采样LED灯曝光下的环境光图像并得到第二图像值，若所述第二图像值的ADC转换值大于设定距离感应阈值，则判定有物体靠近；

其中，所述第一图像值为常规环境光采样图像电压值，所述第二图像值为LED灯曝光下的环境光采样图像电压值。

进一步地，

采样常规环境光图像时，接通第一开关，断开第二开关，运算放大器为电压跟随器；

采样LED灯曝光下的环境光图像时，断开第一开关，接通第二开关，运算放大器为差分放大器。

进一步地，还包括每次采样前先通过图像复位管进行图像复位，所述采样时间和复位时间均通过数字处理集成电路设置。

进一步地，还包括检测完成后进入休眠状态，等到周期结束重新进行下一次检测，以实现间歇式检测。

第三方面，一种近距离光学检测芯片，包括第一方面所述的近距离光学检测电路。

本发明的有益效果体现在：显著提高了光学检测抗干扰能力、感光精度以及感光能力，通过自适应算法能适应不同的应用环境，还能实现间歇式检测，降低功耗，减少成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明背景技术提供的传统近距离传感原理图；

图2为本发明背景技术提供的传统近距离传感控制时序图；

图3为本发明背景技术提供的图像感光采样电路原理图；

图4为本发明实施例一提供的一种近距离光学检测电路的模块框图；

图5为本发明实施例一提供的一种近距离光学检测电路的原理图；

图6为本发明实施例一提供的一种近距离光学检测电路的采样时序图；

图7为本发明实施例一提供的一种近距离光学检测电路的低功耗检测周期图；

图8为本发明实施例二提供的一种近距离光学检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例一

如图4所示，一种近距离光学检测电路，包括LDO稳压电路、采光模块以及处理模块，采光模块包括感光电路和采样电路，处理模块包括放大电路、ADC转换器以及数字处理集成电路，LDO稳压电路与感光电路和采样电路连接，采样电路与放大电路连接，放大电路与ADC转换器连接，数字处理集成电路分别与LDO稳压电路、放大电路以及ADC转换器连接。

如图5所示，LDO稳压电路包括LDO稳压器U1和图像复位管P0，感光电路包括发光二极管D1和可变电容C0，LDO稳压器U1与图像复位管P0连接，图像复位管P0与发光二极管D1的负极端和可变电容C0的正极端连接，发光二极管D1的正极端接地，可变电容C0的负极端接地。

通过在电路设置一个LDO稳压器U1，在外部电源有干扰或纹波时，LDO稳压器U1输出的电压有很好的抑制能力，能保证采光模块每次充电时电压保持一致，从而消除电路中电源部分的干扰。图像复位管P0用于按照时序进行图像复位，其复位时间由数字处理集成电路U2进行时序控制。在图像输出的位置增加一个可变电容C0，可以起到滤除部分光噪声和抑制强光的作用，同时，还可以通过增加可变电容C0的取值来增加电路中电荷的存储，使放电时间更长以满足芯片处理时间。

进一步地，放大电路包括运算放大器U3和开关电路，开关电路并联于运算放大器U3的反向输入端与输出端之间，开关电路包括第一开关K1和第二开关K2，第一开关K1与第二开关K2并联。采样电路包括第一采样器SMP1和第二采样器SMP2，第一采样器SMP1与第二采样器SMP2并联，采样电路通过第一采样器SMP1和第二采样器SMP2对图像曝光进行单通道分时采样。

放大电路还包括第一电阻R1，采样电路还包括第一电容C1和第二电容C2，开关电路还包括第二电阻R2。其中，第一电容C1的正极端与第一采样器SMP1的一端和运算放大器U3的同相输入端连接，第一电容C1的负极端接地，第二电容C2的正极端与第二采样器SMP2的一端和第一电阻R1的第一端连接，第二电容C2的负极端接地,第一采样器SMP1的另一端和第二采样器SMP2的另一端分别与可变电容C0的正极端连接，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端和第一开关K1的一端连接，第二电阻R2的第二端与第二开关K2的一端连接，第一电阻R1的第二端还与运算放大器的反向输入端连接。

具体地，在进行近距离光学检测前，先通过数字处理集成电路U2根据功耗要求，对图像曝光时间和外接LED灯的驱动电流进行配置，配置好之后，开始对图像进行分时采样。按照如图6所示的采样时序，图像复位管P0在每次采样前会先进行图像复位，复位完成后通过发光二极管D1和第一采样器SMP1采样常规环境光图像并得到第一图像值，即常规环境光采样图像电压值。此时接通第一开关K1，断开第二开关K2，运算放大器U3为电压跟随器，通过ADC转换器U4将采集到的第一图像值进行ADC转换，得到常规环境光ADC转换值，并通过数字处理集成电路U2运用数字算法，对LDO稳压器U1的输出电压和可变电容CO取值进行调节配置，使常规环境光ADC转换值在ADC转换器U4量程的

范围内，同时得到LDO稳压器U1输出电压和可变电容CO的配置值。常规环境光采样完成，复位图像管P0再次复位，以准备LED灯曝光下的环境光图像采样。

LDO稳压器U1和可变电容CO配置完成，此时断开第一开关K1，接通第二开关K2，运算放大器U3作为差分放大器，其增益为A_d＝R2/R1，数字处理集成电路U2根据可变电容CO的配置值对差分放大器U3的增益进行调整，以满足LED灯曝光时的感应能力。

满足LED灯曝光感应能力后，通过第二采样器SMP2按照采样时序进行LED灯曝光下的环境光图像采样，并得到第二图像值，即LED灯曝光下的环境光采样图像电压值，将第二图像值送至差分放大器U3进行差分放大，再通过ADC转换器U4进行电压转换得到LED灯曝光下的环境光ADC转换值，当LED灯曝光下的环境光ADC转换值大于设定距离感应阈值P_th时，则判定有目标物体靠近。

进一步地，如图7所示，近距离光学检测电路还可以通过数字处理集成电路U2根据操作时间设置检测周期，当一次检测完成后电路进入睡眠状态，等到一个周期完成才进入下一次检测，以实现低功耗检测的功能。例如，假设电路在进行检测时功耗为1mA，睡眠时功耗为1uA，检测时间为1mS，睡眠周期为100mS，此时芯片的平均功耗为：

Iavg＝(1mA*1mS+1uA*100mS)/100mS＝11uA

而若在检测周期中没有设置睡眠时间，芯片的平均功耗为：

Iavg＝[1mA*(100+1)mS)]/100mS＝1010uA

可见，通过设置检测周期进行间歇式周期检测可以极大的减小功耗，实现低功耗检测。

在实际运用中，还可以根据距离感应要求而设定不同的距离感应阈值P_th，以检测目标物体靠近的不同程度。同时由于外部环境复杂，可能出现误触发的情况，因此会进行多次检测，以确保准确性。

实施例二

如图8所示，一种近距离光学检测方法，步骤包括：

S1：数字处理集成电路配置图像曝光时间和外接LED灯的驱动电流，以进行常规环境光检测；

具体地，在进行近距离光学检测前，先通过数字处理集成电路U2根据功耗要求，对图像曝光时间和外接LED灯的驱动电流进行配置。

S2：采光模块采样常规环境光图像并得到第一图像值，数字处理集成电路调节配置LDO稳压器输出电压和可变电容值，以控制第一图像值的ADC转换值在ADC转换器量程的

范围内；

具体地，在图像曝光时间和外接LED灯的驱动电流配置好之后，开始对图像进行分时采样。按照如图6所示的采样时序，图像复位管P0在每次采样前会先进行图像复位，复位完成后通过发光二极管D1和第一采样器SMP1采样常规环境光图像并得到第一图像值，即常规环境光采样图像电压值。此时接通第一开关K1，断开第二开关K2，运算放大器U3为电压跟随器，通过ADC转换器U4将采集到的第一图像值进行ADC转换，得到常规环境光ADC转换值，并通过数字处理集成电路U2运用数字算法，对LDO稳压器U1的输出电压和可变电容CO取值进行调节配置，使常规环境光ADC转换值在ADC转换器U4量程的

范围内，同时得到LDO稳压器U1输出电压和可变电容CO的配置值。常规环境光采样完成，复位图像管P0再次复位，以准备LED灯曝光下的环境光图像采样。

S3：数字处理集成电路根据所述可变电容的配置值调整运算放大器的增益，以满足外接LED灯曝光时的感应能力；

具体地，LDO稳压器U1和可变电容CO配置完成，此时断开第一开关K1，接通第二开关K2，运算放大器U3作为差分放大器，其增益为A_d＝R2/R1，数字处理集成电路U2根据可变电容CO的配置值对差分放大器U3的增益进行调整，以满足LED灯曝光时的感应能力。

S4：采光模块采样LED灯曝光下的环境光图像并得到第二图像值，若所述第二图像值的ADC转换值大于设定距离感应阈值，则判定有物体靠近；

具体地，在满足LED灯曝光感应能力后，通过第二采样器SMP2按照采样时序进行LED灯曝光下的环境光图像采样，并得到第二图像值，即LED灯曝光下的环境光采样图像电压值。将第二图像值送至差分放大器U3进行差分放大，再通过ADC转换器U4进行电压转换得到LED灯曝光下的环境光ADC转换值，当LED灯曝光下的环境光ADC转换值大于设定距离感应阈值P_th时，则判定有目标物体靠近。

进一步地，如图7所示，近距离光学检测电路还可以通过数字处理集成电路U2根据操作时间设置检测周期，当一次检测完成后电路进入睡眠状态，等到一个周期完成才进入下一次检测，以实现低功耗检测的功能。例如，假设电路在进行检测时功耗为1mA，睡眠时功耗为1uA，检测时间为1mS，睡眠周期为100mS，此时芯片的平均功耗为：

Iavg＝(1mA*1mS+1uA*100mS)/100mS＝11uA

而若在检测周期中没有设置睡眠时间，芯片的平均功耗为：

Iavg＝[1mA*(100+1)mS)]/100mS＝1010uA

可见，通过设置检测周期进行间歇式周期检测可以极大的减小功耗，实现低功耗检测。

在实际运用中，还可以根据距离感应要求而设定不同的距离感应阈值P_th，以检测目标物体靠近的不同程度。同时由于外部环境复杂，可能出现误触发的情况，因此会进行多次检测，以确保准确性。

实施例三

一种近距离光学检测芯片，包括上述的近距离光学检测电路。

本发明实施例所提供的芯片，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。

本发明显著提高了光学检测抗干扰能力、感光精度以及感光能力，通过自适应算法能适应不同的应用环境，还能实现间歇式检测，降低功耗，减少成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种近距离光学检测电路，其特征在于，包括LDO稳压电路、采光模块以及处理模块，所述采光模块包括感光电路和采样电路，所述处理模块包括放大电路、ADC转换器以及数字处理集成电路，所述LDO稳压电路与感光电路和采样电路连接，所述采样电路与放大电路连接，所述放大电路与ADC转换器连接，所述数字处理集成电路分别与LDO稳压电路、放大电路以及ADC转换器连接。

2.根据权利要求1所述的一种近距离光学检测电路，其特征在于，所述LDO稳压电路包括LDO稳压器和图像复位管，所述感光电路包括发光二极管和可变电容，所述LDO稳压器与图像复位管连接，图像复位管与发光二极管的负极端和可变电容的正极端连接，发光二极管的正极端接地，可变电容的负极端接地。

3.根据权利要求1所述的一种近距离光学检测电路，其特征在于，所述采样电路的采样方式为单通道分时采样，包括第一采样器和第二采样器，所述第一采样器与第二采样器并联。

4.根据权利要求1所述的一种近距离光学检测电路，其特征在于，所述放大电路包括运算放大器和开关电路，所述开关电路并联于运算放大器的反向输入端与输出端之间，所述开关电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关与第二开关并联。

5.根据权利要求4所述的一种近距离光学检测电路，其特征在于，

当第一开关接通，第二开关断开时，运算放大器作为电压跟随器；

当第一开关断开，第二开关接通时，运算放大器作为差分放大器。

6.一种近距离光学检测方法，其特征在于，步骤包括：

数字处理集成电路配置图像曝光时间和外接LED灯的驱动电流，以进行常规环境光检测；

采光模块采样常规环境光图像并得到第一图像值，数字处理集成电路调节配置LDO稳压器输出电压和可变电容值，以控制第一图像值的ADC转换值在ADC转换器量程的

范围内；

数字处理集成电路根据所述可变电容的配置值调整运算放大器的增益，以满足外接LED灯曝光时的感应能力；

采光模块采样LED灯曝光下的环境光图像并得到第二图像值，若所述第二图像值的ADC转换值大于设定距离感应阈值，则判定有物体靠近；

其中，所述第一图像值为常规环境光采样图像电压值，所述第二图像值为LED灯曝光下的环境光采样图像电压值。

7.根据权利要求6所述的一种近距离光学检测方法，其特征在于，

采样常规环境光图像时，接通第一开关，断开第二开关，运算放大器为电压跟随器；

采样LED灯曝光下的环境光图像时，断开第一开关，接通第二开关，运算放大器为差分放大器。

8.根据权利要求6所述的一种近距离光学检测方法，其特征在于，还包括每次采样前先通过图像复位管进行图像复位，所述采样时间和复位时间均通过数字处理集成电路设置。

9.根据权利要求6所述的一种近距离光学检测方法，其特征在于，还包括检测完成后进入休眠状态，等到周期结束重新进行下一次检测，以实现间歇式检测。

10.一种近距离光学检测芯片，其特征在于，包括权利要求1～5中任一权利要求所述的近距离光学检测电路。

Images