曹婉新

上海大眾工業(yè)學(xué)校，上海 201800

一、前言

美國ADI公司生產(chǎn)了一種利用雙波長技術(shù)進(jìn)行光學(xué)煙霧和氣霧檢測的集成光學(xué)模塊ADPD188BI[1]，這是一種光電式煙霧檢測系統(tǒng)，提供了一種全新的煙霧探測的解決方案。該模塊集成高效率的光電式測量前端、藍(lán)光和紅外（IR）發(fā)光二極管（LED）以及光電二極管（PD）。這些器件采用特制的封裝，防止光線未先經(jīng)過煙霧探測腔而直接從LED照進(jìn)光電二極管。

其專用集成電路的前端（ASIC）由一個控制塊、一個帶有20位累加器的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和三個可靈活獨(dú)立配置的LED驅(qū)動器組成?？刂齐娐钒`活的LED信號和同步檢測。模擬前端（AFE）功能優(yōu)異，可以抑制通常由環(huán)境光引起的調(diào)制干擾所導(dǎo)致的信號偏移和損壞?？梢酝ㄟ^1.8V的I2C接口或串行外圍接口（SPI）的端口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出和功能配置。

二、引腳功能和主要特點(diǎn)

1、引腳功能

ADPD188BI的引腳排列如圖1所示，各引腳說明如表1所示。

2、主要特點(diǎn)

ADPD188BI的主要特點(diǎn)如下：

? 性能優(yōu)異，可減少煙霧探測器誤報，滿足新監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)；

? 模擬前端（AFE）和集成設(shè)計可以改善電源管理，從而延長電池壽命；

? 1.8V工作電壓，能耗更低；

? 精簡的設(shè)計，體積更小，抗干擾能力更強(qiáng)；

? 內(nèi)含一個藍(lán)光LED、一個紅外LED和兩個光電探測器；

? 可以外接2個傳感器（如CO和溫度）的信號；

? 3個370mA的LED驅(qū)動器；

? 具有SPI和I2C的接口，更便于與MCU連接；

? 更加簡單的設(shè)計要求，達(dá)到更高的可靠性。

三、功能原理

ADPD188BI是一個針對煙霧探測而設(shè)計的完整的集成光學(xué)模塊。該模塊包含兩個光學(xué)探測器。光電探測器1（PDET1）的有效面積為0.4mm2，并與ASIC的通道3相連。光電探測器2（PDET2）的有效面積為0.8mm2，并與ASIC的通道4相連。

這兩個光電二極管合成為一個面積為1.2mm2的探測器。此模塊融合了具有兩個獨(dú)立LED的雙光電探測器和一個前端ASIC的用于光學(xué)測量的混合信號光度計。雙波長的ADPD188BI使用470nm藍(lán)色LED和850nm紅外LED。在散射測量中，不同波長的組合可以對不同種類的煙霧、灰塵和水蒸氣顆粒大小進(jìn)行識別。模塊上的ASIC包括模擬信號處理部分、一個ADC電路、一個數(shù)字信號處理部分、一個I2C和SPI通信接口以及三個獨(dú)立的脈沖調(diào)制型LED電流源。

其核心電路驅(qū)動LED發(fā)光，并測量對應(yīng)返回的光信號，從而可以直接從輸出寄存器讀取相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，也可以通過先進(jìn)先出（FIFO）緩沖區(qū)讀取其測量值。這種高集成度的光學(xué)解決方案可以實(shí)現(xiàn)低功耗，外形尺寸小，可減少因灰塵、蒸汽和其他干擾源造成的惡劣環(huán)境中的煙霧誤報。圖2是模塊的功能原理框圖。

1、雙時隙工作

ADPD188BI在兩個獨(dú)立的時隙（時隙A和時隙B）中工作，依次執(zhí)行。每個時隙期間，完成從驅(qū)動LED到數(shù)據(jù)采集和處理的整個過程。每個時隙有一個單獨(dú)的LED驅(qū)動器設(shè)置、AFE設(shè)置和生成數(shù)據(jù)的獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道。每個采樣周期中，時隙A和時隙B依次運(yùn)行，如圖3所示。

2、時隙轉(zhuǎn)換

根據(jù)寄存器0x14的設(shè)置，支持四個輸入通道的多個配置。集成光電二極管可以定位到通道3和通道4，也可以匯總到通道1中。外部EXT_IN1和EXT_IN2輸入可以分別定位到通道1和通道2，或者合到通道2，如圖4和圖5所示。其中，PDET1/PDET2是光電二極管。時隙轉(zhuǎn)換寄存器的配置表如表2所示。為了確保設(shè)備正常運(yùn)行，對未用的輸入端口要保持浮空狀態(tài)。光電二極管采用電流輸入，因此，這些管腳也可以作為電壓輸出。若將這些輸入端口接入電壓時可能會導(dǎo)致模擬部分進(jìn)入飽和狀態(tài)。圖4所示的是寄存器0x14[11:8]=5，0x14[7:4]=5的設(shè)置。圖5所示的是寄存器0x14[11:8]=1，0x14[7:4]=1的設(shè)置。

3、通信接口電路

ADPD188BI具備兩個串行接口（SPI和I2C），所有內(nèi)部寄存器都可以通過選用的通信接口進(jìn)行訪問，但在實(shí)際應(yīng)用中，只能使用其中一個。所需的通信接口和GPIO0、GPIO1端口與MCU或傳感器的接口相接。

ADPD188BI的I2C符合UM10204的I2C總線規(guī)范和用戶手冊（修訂版）。該設(shè)備支持快速模式（400kbps）數(shù)據(jù)傳輸，支持寄存器讀寫操作，支持單字和多字讀取操作。設(shè)備的7位I2C從機(jī)地址為0x64。若選用I2C接口，則必須將CS引腳拉高以禁用SPI接口，將未使用的SCLK和MOSI接地，如圖6所示。

SPI端口使用由CS、MOSI、MISO和SCLK信號組成的4線接口，它始終是從端口。CS信號在通信開始時變低，并且結(jié)束時為高電平，如圖7所示。當(dāng)使用SPI接口時，必須通過將SDA和SCL引腳連接到1.8V來禁用I2C接口。

4、工作模式

ADPD188BI共有3種工作模式：待機(jī)、程序和正常采樣模式。處于待機(jī)模式下，不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。待機(jī)模式是一種省電模式，所有寄存器值都保留在此模式下。若將0x0寫入寄存器0x10的位[1:0]，設(shè)備便處于待機(jī)模式。

程序模式用于對寄存器進(jìn)行編程。若要對寄存器寫入或更改模式時，總是通過程序模式切換ADPD188BI。若要設(shè)備置于程序模式，須對寄存器0x10位[1:0] 寫入0x1。

在正常采樣模式下，ADPD188BI會發(fā)出光脈沖并獲取數(shù)據(jù)。此模式下的功耗取決于脈沖數(shù)和數(shù)據(jù)速率。若對寄存器0x10位[1:0] 寫入0x2，則設(shè)備處于正常采樣模式。

在不同的工作模式下，須對相關(guān)的寄存器進(jìn)行必要的設(shè)置，確保其工作模式按用戶的要求進(jìn)行工作。

表2 時隙轉(zhuǎn)換（寄存器0x14，地址：0x14）

四、應(yīng)用

由ADPD188BI模塊組成的煙霧報警控制系統(tǒng)[2-3]如圖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系列的產(chǎn)品。由于IC2的ADPD188BI模塊使用1.8V的工作電源，因此選用了工作電源1.8V的STM32F038C6T6處理器與之匹配，其封裝為LQFP48。

ADPD188BI模塊具有兩個通信（四線的SPI和兩線的I2C）接口，為了減少連線，采用了I2C通信接口[6]。處理器的SDA與ADPD188BI模塊的SDA相接，處理器的SCL與ADPD188BI模塊的SCL相連。

因I2C通信端口SDA和SCL是開漏輸出，故使用時需接上拉電阻R2和R3，其中電阻值選用10kΩ，電阻的大小會影響傳輸?shù)乃俾?。同時ADPD188BI模塊的SPI通信接口必須禁用，即其端口接1.8V，SCLK和MOSI接地。

在安裝系統(tǒng)之前，需按操作流程對ADPD188BI模塊進(jìn)行配置，完成配置的ADPD188BI模塊就能檢測其工作環(huán)境。IC1處理器獲取IC2模塊的測試數(shù)據(jù)按算法進(jìn)行處理，并通過IC3通信模塊（MS50SFB1藍(lán)牙模塊）與其他設(shè)備組成物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)檢測和報警控制的功能。

五、結(jié)論

煙霧傳感器雖然已得到了廣泛使用，為保障人的生命和財產(chǎn)起到了很大的作用，但傳統(tǒng)的煙霧探測器由電離報警器組成，其性能不及正在發(fā)展的光電報警器。采用光電煙霧報警器可以更快和更正確地報警，減少或避免因各種干擾導(dǎo)致的誤報或漏報，更好地保障人的生命和財產(chǎn)安全。