ADPD188BI集成光学模块及其应用

2019-07-03曹婉新

传感器世界 2019年3期

曹婉新

上海大众工业学校，上海 201800

一、前言

美国ADI公司生产了一种利用双波长技术进行光学烟雾和气雾检测的集成光学模块ADPD188BI[1]，这是一种光电式烟雾检测系统，提供了一种全新的烟雾探测的解决方案。该模块集成高效率的光电式测量前端、蓝光和红外（IR）发光二极管（LED）以及光电二极管（PD）。这些器件采用特制的封装，防止光线未先经过烟雾探测腔而直接从LED照进光电二极管。

其专用集成电路的前端（ASIC）由一个控制块、一个带有20位累加器的14位模数转换器（ADC）和三个可灵活独立配置的LED驱动器组成。控制电路包括灵活的LED信号和同步检测。模拟前端（AFE）功能优异，可以抑制通常由环境光引起的调制干扰所导致的信号偏移和损坏。可以通过1.8V的I2C接口或串行外围接口（SPI）的端口进行数据输出和功能配置。

二、引脚功能和主要特点

1、引脚功能

ADPD188BI的引脚排列如图1所示，各引脚说明如表1所示。

2、主要特点

ADPD188BI的主要特点如下：

• 性能优异，可减少烟雾探测器误报，满足新监管标准；

• 模拟前端（AFE）和集成设计可以改善电源管理，从而延长电池寿命；

• 1.8V工作电压，能耗更低；

• 精简的设计，体积更小，抗干扰能力更强；

• 内含一个蓝光LED、一个红外LED和两个光电探测器；

• 可以外接2个传感器（如CO和温度）的信号；

• 3个370mA的LED驱动器；

• 具有SPI和I2C的接口，更便于与MCU连接；

• 更加简单的设计要求，达到更高的可靠性。

三、功能原理

ADPD188BI是一个针对烟雾探测而设计的完整的集成光学模块。该模块包含两个光学探测器。光电探测器1（PDET1）的有效面积为0.4mm2，并与ASIC的通道3相连。光电探测器2（PDET2）的有效面积为0.8mm2，并与ASIC的通道4相连。

这两个光电二极管合成为一个面积为1.2mm2的探测器。此模块融合了具有两个独立LED的双光电探测器和一个前端ASIC的用于光学测量的混合信号光度计。双波长的ADPD188BI使用470nm蓝色LED和850nm红外LED。在散射测量中，不同波长的组合可以对不同种类的烟雾、灰尘和水蒸气颗粒大小进行识别。模块上的ASIC包括模拟信号处理部分、一个ADC电路、一个数字信号处理部分、一个I2C和SPI通信接口以及三个独立的脉冲调制型LED电流源。

其核心电路驱动LED发光，并测量对应返回的光信号，从而可以直接从输出寄存器读取相应的测量数据，也可以通过先进先出（FIFO）缓冲区读取其测量值。这种高集成度的光学解决方案可以实现低功耗，外形尺寸小，可减少因灰尘、蒸汽和其他干扰源造成的恶劣环境中的烟雾误报。图2是模块的功能原理框图。

1、双时隙工作

ADPD188BI在两个独立的时隙（时隙A和时隙B）中工作，依次执行。每个时隙期间，完成从驱动LED到数据采集和处理的整个过程。每个时隙有一个单独的LED驱动器设置、AFE设置和生成数据的独立的数据通道。每个采样周期中，时隙A和时隙B依次运行，如图3所示。

2、时隙转换

根据寄存器0x14的设置，支持四个输入通道的多个配置。集成光电二极管可以定位到通道3和通道4，也可以汇总到通道1中。外部EXT_IN1和EXT_IN2输入可以分别定位到通道1和通道2，或者合到通道2，如图4和图5所示。其中，PDET1/PDET2是光电二极管。时隙转换寄存器的配置表如表2所示。为了确保设备正常运行，对未用的输入端口要保持浮空状态。光电二极管采用电流输入，因此，这些管脚也可以作为电压输出。若将这些输入端口接入电压时可能会导致模拟部分进入饱和状态。图4所示的是寄存器0x14[11:8]=5，0x14[7:4]=5的设置。图5所示的是寄存器0x14[11:8]=1，0x14[7:4]=1的设置。

3、通信接口电路

ADPD188BI具备两个串行接口（SPI和I2C），所有内部寄存器都可以通过选用的通信接口进行访问，但在实际应用中，只能使用其中一个。所需的通信接口和GPIO0、GPIO1端口与MCU或传感器的接口相接。

ADPD188BI的I2C符合UM10204的I2C总线规范和用户手册（修订版）。该设备支持快速模式（400kbps）数据传输，支持寄存器读写操作，支持单字和多字读取操作。设备的7位I2C从机地址为0x64。若选用I2C接口，则必须将CS引脚拉高以禁用SPI接口，将未使用的SCLK和MOSI接地，如图6所示。

SPI端口使用由CS、MOSI、MISO和SCLK信号组成的4线接口，它始终是从端口。CS信号在通信开始时变低，并且结束时为高电平，如图7所示。当使用SPI接口时，必须通过将SDA和SCL引脚连接到1.8V来禁用I2C接口。

4、工作模式

ADPD188BI共有3种工作模式：待机、程序和正常采样模式。处于待机模式下，不进行数据采集。待机模式是一种省电模式，所有寄存器值都保留在此模式下。若将0x0写入寄存器0x10的位[1:0]，设备便处于待机模式。

程序模式用于对寄存器进行编程。若要对寄存器写入或更改模式时，总是通过程序模式切换ADPD188BI。若要设备置于程序模式，须对寄存器0x10位[1:0] 写入0x1。

在正常采样模式下，ADPD188BI会发出光脉冲并获取数据。此模式下的功耗取决于脉冲数和数据速率。若对寄存器0x10位[1:0] 写入0x2，则设备处于正常采样模式。

在不同的工作模式下，须对相关的寄存器进行必要的设置，确保其工作模式按用户的要求进行工作。

表2 时隙转换（寄存器0x14，地址：0x14）

四、应用

由ADPD188BI模块组成的烟雾报警控制系统[2-3]如图8所示。其中，IC1采用高性能、低成本和低功耗的ARM Cortex-M0微控制器[4-5]STM32F0系列的产品。由于IC2的ADPD188BI模块使用1.8V的工作电源，因此选用了工作电源1.8V的STM32F038C6T6处理器与之匹配，其封装为LQFP48。

ADPD188BI模块具有两个通信（四线的SPI和两线的I2C）接口，为了减少连线，采用了I2C通信接口[6]。处理器的SDA与ADPD188BI模块的SDA相接，处理器的SCL与ADPD188BI模块的SCL相连。

因I2C通信端口SDA和SCL是开漏输出，故使用时需接上拉电阻R2和R3，其中电阻值选用10kΩ，电阻的大小会影响传输的速率。同时ADPD188BI模块的SPI通信接口必须禁用，即其端口接1.8V，SCLK和MOSI接地。

在安装系统之前，需按操作流程对ADPD188BI模块进行配置，完成配置的ADPD188BI模块就能检测其工作环境。IC1处理器获取IC2模块的测试数据按算法进行处理，并通过IC3通信模块（MS50SFB1蓝牙模块）与其他设备组成物联网，实现检测和报警控制的功能。