一种主动发光型光传感芯片及其控制方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种主动发光型光传感芯片及其控制方法。


背景技术：

2.光传感器通常是指能敏锐感应光能量，并将光能量转换成电信号的器件。光传感器可分为两大类：一类是光传感器不主动向外发射光，只被动接受外界环境的特定光信号；一类是能主动向外发射特定波长/频率的光信号的主动发光型光传感器，并接收探测该特定波长/频率的光信号。主动发光型光传感器由于能自主控制所探测的光信号的波长/频率，更加灵活，被广泛应用于智能穿戴、智能照明系统等领域。
3.随着集成电路技术的发展，光传感器通常被制作成微型的集成芯片，即光传感芯片。由于光传感芯片的光接收元件需要接收外界的光，故其是暴露在外界环境中的，而外界环境中有各种噪声光信号，会对光传感芯片的探测产生不良影响，如功耗大或探测结果的准确性低。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种主动发光型光传感芯片及其控制方法，可以提高主动发光型光传感芯片的探测准确性，并降低芯片功耗。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种主动发光型光传感芯片，包括光接收元件、光发射元件、驱动电路、数据处理与控制模块、电源模块和通讯模块，所述数据处理与控制模块包括模数转换器、时序控制单元和输出控制单元；其中，所述光发射元件连接所述驱动电路，所述驱动电路连接所述输出控制单元，所述模数转换器连接所述光接收元件及所述输出控制单元，所述时序控制单元连接所述模数转换器及所述驱动电路，所述通讯模块连接所述数据处理与控制模块；
6.所述时序控制单元，用于控制所述模数转换器和所述驱动电路的时序；
7.所述光接收元件，用于接收外界的光信号并将所述光信号转换成模拟电信号；
8.所述模数转换器，用于将所述模拟电信号转换成数字电信号；
9.所述输出控制单元，用于控制所述驱动电路的电信号大小；
10.所述驱动电路，用于驱动所述光发射元件向外界发射光信号；
11.所述通讯模块，用于与其他器件进行通讯；
12.所述电源模块，用于为所述光传感芯片供电。
13.可选地，所述电源模块包括过压保护电路、上电复位单元或参考电压电路中的一种或多种。
14.第二方面，本发明实施例提供了一种主动发光型光传感芯片的控制方法，应用于上述的光传感芯片，包括：
15.通过时序控制单元控制所述模数转换器在第一时刻输出第一数字信号；
16.根据所述第一数字信号确定驱动电路的电信号大小；
17.通过时序控制单元和输出控制单元控制所述驱动电路以确定的电信号的大小驱动所述光发射元件在第一时刻至第二时刻之间发射第一光信号；
18.通过时序控制单元控制所述模数转换器在第二时刻输出第二数字信号；
19.根据所述第二数字信号及所述第一数字信号确定有效数字信号。
20.可选地，所述根据所述第一数字信号确定驱动电路的电信号大小，具体包括：
21.确定模数转换器的输出信号与驱动电路的电信号之间的对应关系；
22.根据所述第一数字信号及所述对应关系确定驱动电路的电信号大小。
23.可选地，所述对应关系包括预设的数据对应表，所述数据对应表记录模数转换器的输出信号段对应驱动电路的电信号大小，所述根据所述第一数字信号及所述对应关系确定驱动电路的电信号大小，具体包括：
24.根据所述第一数字信号确定对应的模数转换器的输出信号段；
25.根据模数转换器的输出信号段确定对应的驱动电路的电信号大小。
26.可选地，所述对应关系包括预设的函数关系式，所述函数关系式表征驱动电路的电信号关于模数转换器的输出信号的函数，所述根据所述第一数字信号及所述对应关系确定驱动电路的电信号大小，具体包括：
27.根据所述第一数字信号及所述函数关系式计算驱动电路的电信号大小。
28.可选地，所述第一时刻通过以下方法确定：
29.确定模数转换器的积分时间；
30.根据起始时刻及所述积分时间确定所述第一时刻。
31.可选地，所述第二时刻通过以下方法确定：
32.根据所述第一时刻及所述积分时间确定所述第二时刻。
33.实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中光传感芯片包括光接收元件、光发射元件、驱动电路和数据处理与控制模块，数据处理与控制模块包括模数转换器、时序控制单元和输出控制单元，通过时序控制单元控制模数转换器和驱动电路的时序，通过输出控制单元控制驱动电路的电信号大小以控制光发射元件向外界发射光信号；首先在控制发射元件不发光的情况下检测光接收元件的信号大小，然后在控制发射元件发光的情况下检测光接收元件的信号大小，然后根据两次光接收元件的信号相减去除环境光信号的影响以提高探测结果的准确性，同时根据在发射元件不发光的情况下检测到的光接收元件的信号大小确定发射元件的驱动电信号大小以降低芯片的能耗。
附图说明
34.图1是本发明实施例提供的一种主动发光型光传感芯片的结构示意图；
35.图2是本发明实施例提供的一种主动发光型光传感芯片的控制方法的步骤流程示意图；
36.图3是本发明实施例提供的一种光发射元件的驱动电路的脉冲电流时序图。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的
步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
38.光传感芯片的工作过程如下：光传感芯片的光发射元件向外发出光信号(如940nm红外光信号)，经过外界障碍物的反射/折射后，部分光信号返回芯片被光传感芯片的光接收元件所接收探测到，光传感芯片中的数据处理电路模块把光接收元件探测到的光信号转换为后端器件可用的电信号。
39.光传感芯片的光接收端暴露在环境中，其不仅接收探测来自光传感芯片的光发射端的光信号(即光发射端向外界环境发出的光信号中，经过外界障碍物的反射/折射后返回芯片的部分光信号)，同时也会接收探测到芯片周围环境中的噪声光信号(环境光中几乎含有所有频率/波长的光信号，且不同环境中的噪声光信号的强度不同)。故光传感芯片实际测到的光信号强度为目标光信号与环境光信号的叠加信号，若不进行特殊处理，则光传感芯片无法得到较准确的探测结果。
40.光传感芯片的光发射端所发射的光信号强度问题：若保持光传感芯片的光发射端所发射的光信号强度不变，当周围环境中的噪声光信号的强度变大时(可与光传感芯片的光发射端所发射的光信号的强度相比拟或者远大于光传感芯片的光发射端所发射的光信号的强度)，光发射端向外界环境发出的光信号中，经过外界障碍物的反射/折射后返回芯片的部分光信号会被环境中的噪声光信号所淹没，导致光传感芯片的光接收端所接收探测的光信号严重失真，无法测得有效结果；当周围环境中的噪声光信号的强度变小时(远小于光传感芯片的光发射端所发射的光信号的强度)，光传感芯片的光接收端所接收探测的光信号几乎无噪声光信号成分，此时的测量结果准确，但此时可缩小光传感芯片的光发射端所发射的光信号强度(因为环境中的噪声光信号的强度很小，适当缩小光传感芯片的光发射端所发射的光信号强度仍然可以测得准确数据)，以降低功率，减小芯片功耗。
41.参阅图1，本发明实施例提供了一种主动发光型光传感芯片，包括光接收元件、光发射元件、驱动电路、数据处理与控制模块、电源模块和通讯模块，所述数据处理与控制模块包括模数转换器、时序控制单元和输出控制单元；其中，所述光发射元件连接所述驱动电路，所述驱动电路连接所述输出控制单元，所述模数转换器连接所述光接收元件及所述输出控制单元，所述时序控制单元连接所述模数转换器及所述驱动电路，所述通讯模块连接所述数据处理与控制模块；
42.所述时序控制单元，用于控制所述模数转换器和所述驱动电路的时序；
43.所述光接收元件，用于接收外界的光信号并将所述光信号转换成模拟电信号；
44.所述模数转换器，用于将所述模拟电信号转换成数字电信号；
45.所述输出控制单元，用于控制所述驱动电路的电信号大小；
46.所述驱动电路，用于驱动所述光发射元件向外界发射光信号；
47.所述通讯模块，用于与其他器件进行通讯；
48.所述电源模块，用于为所述光传感芯片供电。
49.需要说明的是，驱动电路的电信号包括电流信号或电压信号，
50.具体地，时序控制单元用于控制模数转换器和驱动电路的时序：先用模数转换器转换光接收元件的输出数据，再启动驱动电路控制光发射元件发射光信号后，模数转换器再转换一次光接收元件的输出数据，并用后一次的数据减去(包括但不限于使用数字减法
器)前一次的数据实现环境光信号的消除。驱动控制单元用于控制驱动电路输出给光发射元件的脉冲电流的大小，当模数转换器转换得到的光信号强度数据较大时，则将驱动电路的输出电流设置为大电流，当模数转换器转换得到的光信号强度数据较小时，则将驱动电路的输出电流设置为小电流，以此来消除环境光信号并降低芯片功耗。
51.可选地，所述电源模块包括过压保护电路、上电复位单元或参考电压电路中的一种或多种。
52.需要说明的是，电源模块包括但不限于过压保护电路、上电复位单元或参考电压电路中的一种或多种，电源模块还可以在此基础上，根据实际应用进行适当的删减或增加，本实施例不做具体限制。
53.具体地，参阅图1，光传感芯片具有光发射元件(一个或多个)和光接收元件(一个或多个)，光发射端在驱动电路的电流/电压驱动下，向芯片外界环境发射光信号。光接收元件可接收或探测来自芯片外界环境的光信号，并将其转换为电信号。数据处理与控制模块可对光接收元件输出的电信号数据进行计算处理，如通过数模转换器将光接收元器件输出的模拟电信号转换成数字电信号，控制光发射元件的驱动电路的输出电流/电压等，还提供其它的运算功能；另外，数据处理与控制模块还包括时序控制单元，时序控制单元控制模数转换器和驱动电路的时序。电源管理模块中用于给其余各电路模块供电，其中，过压保护电路可以提高电路的稳定性和可靠性，当电源电压过高时，利用电路中的二极管、三极管等开关元件主动断开供电电路；上电复位单元在芯片接通电源时，会产生复位信号，使得整个光传感芯片进入初始化状态；vref参考电压电路用于产生一系列稳定的参考电压，且当电源电压小幅度波动时，参考电压保持不变，以保证光传感芯片的各电路模块正常、稳定工作。另外，光传感芯片具备通讯模块，以便与其他器件进行数据交换等操作。
54.实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中光传感芯片包括光接收元件、光发射元件、驱动电路和数据处理与控制模块，数据处理与控制模块包括模数转换器、时序控制单元和输出控制单元，通过时序控制单元控制模数转换器和驱动电路的时序，通过输出控制单元控制驱动电路的电信号大小以控制光发射元件向外界发射光信号；首先在控制发射元件不发光的情况下检测光接收元件的信号大小，然后在控制发射元件发光的情况下检测光接收元件的信号大小，然后根据两次光接收元件的信号相减去除环境光信号的影响以提高探测结果的准确性，同时根据在发射元件不发光的情况下检测到的光接收元件的信号大小确定发射元件的驱动电信号大小以降低芯片的能耗。
55.参阅图2，本发明实施例提供了一种主动发光型光传感芯片的控制方法，应用于上述的光传感芯片，包括步骤s100至步骤s500：
56.s100、通过时序控制单元控制所述模数转换器在第一时刻输出第一数字信号。
57.具体地，光传感芯片启动后，驱动电路并没有控制光发射元件向外界发射光，此时光接收元件接收的是外界环境的噪声干扰光信号。
58.第一时刻表征模数转换器数据将外界环境的噪声干扰光信号转换完成的时刻，第一数字信号表征外界环境的干扰光信号的强度。
59.参阅图3，光发射元件的驱动电路在工作时会提供周期性的脉冲电流，t0为一个脉冲周期的起点(如芯片上电复位时的0时刻)；t0至t1时刻，电流为0；t1至t2时刻，电流为i0；t0至t2为一个脉冲周期。由于模数转换器在转换光接收元件传输过来的信号时，需要一定的
积分时间，需要在一定时间后输出的数字信号相对准确。
60.可选地，所述第一时刻通过以下方法确定：
61.s110、确定模数转换器的积分时间；
62.s120、根据起始时刻及所述积分时间确定所述第一时刻。
63.具体地，模数转换器的积分时间根据芯片设计确定，不同的芯片积分时间可能不同，如模数转换器的积分时间可能为20微秒。第一时刻与起始时刻的差值大于模数转换器的积分时间。例如，参阅图3，t表示模数转换器的积分时间，t0表示起始时刻，t1表示第一时刻，则t
1-t0》t，t
1-t0可以根据实际应用做相应调整。
64.s200、根据所述第一数字信号确定驱动电路的电信号大小。
65.具体地，根据第一数字信号表征外界环境的干扰光信号的强度确定驱动电路的电信号大小，可以将驱动电路的电信号确定在一个合适的范围内，使光发射元件向外界发射的光不会被外界环境干扰光掩盖，同时使发射元件向外界发射的光信号强度不会太大而增加芯片的功耗。
66.可选地，所述根据所述第一数字信号确定驱动电路的电信号大小，具体包括：
67.s210、确定模数转换器的输出信号与驱动电路的电信号之间的对应关系；
68.s220、根据所述第一数字信号及所述对应关系确定驱动电路的电信号大小。
69.需要说明的是，模数转换器的输出信号与驱动电路的电信号之间的对应关系可以包含多种不同的形式，具体根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。根据第一数字信号及对应关系可以唯一确定一个驱动电路的电信号大小。
70.可选地，所述对应关系包括预设的数据对应表，所述数据对应表记录模数转换器的输出信号段对应驱动电路的电信号大小，所述根据所述第一数字信号及所述对应关系确定驱动电路的电信号大小，具体包括：
71.s221a、根据所述第一数字信号确定对应的模数转换器的输出信号段；
72.s222a、根据模数转换器的输出信号段确定对应的驱动电路的电信号大小。
73.具体地，例如，在数据对应表中，模数转换器输出的信号段分n个参考电压，分别为：v1/v2/v3/.../vn，n的值根据光传感芯片的实际应用需求而定，模数转换器在第一时刻输出的第一数字信号为a。若0＜a≤v1，则驱动电路输出脉冲电流为i1；若v1＜a≤v2，则驱动电路输出脉冲电流为i2，依此类推，若v
n-1
＜a≤vn，则驱动电路输出脉冲电流为in。
[0074]v1
/v2/v3/.../vn的值的标定：这些参考电压的值是提前标定好的；n值的确定可根据实际需求确定，如需要高精度测量时，可设置较多个档位(如n＝128)，但参考档位过多时，芯片面积会相应变大，故在不过于增大芯片面积时，可设置合适数量的参考电压(如n＝32)。vn的值：最强光照时adc转换到的数字电压(以室内应用的光传感器为例，通常室内光照小于500lx(勒克斯)，故可标定500lx光源直射芯片时测到的数字电压为vn)。根据以上确定的n和vn，将0-vn等分成n份，即可得到参考电压v1/v2/v3/.../v
n-1
。
[0075]
可选地，所述对应关系包括预设的函数关系式，所述函数关系式表征驱动电路的电信号关于模数转换器的输出信号的函数，所述根据所述第一数字信号及所述对应关系确定驱动电路的电信号大小，具体包括：
[0076]
s221b、根据所述第一数字信号及所述函数关系式计算驱动电路的电信号大小。
[0077]
需要说明的是，预设的函数关系式根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。
[0078]
具体地，例如，函数关系式为y＝ax b，其中，y表示驱动电路的电信号，x表示第一数字信号，a和b为常数，当第一数字信号x确定后，将x代入公式y＝ax b确定驱动电路的电信号y。
[0079]
s300、通过时序控制单元和输出控制单元控制所述驱动电路以确定的电信号的大小驱动所述光发射元件在第一时刻至第二时刻之间发射第一光信号。
[0080]
具体地，时序控制单元和输出控制单元控制同时对光发射元件进行控制，时序控制单元通过驱动电路控制光发射元件的时序，输出控制单元通过驱动电路控制对光发射元件的电信号大小。
[0081]
可选地，所述第二时刻通过以下方法确定：
[0082]
s310、根据所述第一时刻及所述积分时间确定所述第二时刻。
[0083]
具体地，参阅图3，第二时刻与第一时刻的差值大于模数转换器的积分时间。例如，t表示模数转换器的积分时间，t1表示第一时刻，t2表示第二时刻，则t
2-t1》t，t
2-t1可以根据实际应用做相应调整。
[0084]
s400、通过时序控制单元控制所述模数转换器在第二时刻输出第二数字信号。
[0085]
第二时刻表征模数转换器数据将外界环境的噪声干扰光信号和目标光信号组成的混合光信号转换完成的时刻，第一数字信号表征外界环境的干扰光信号的强度，第二数字信号表征包括环境噪声干扰光信号和目标光信号的混合信号。
[0086]
s500、根据所述第二数字信号及所述第一数字信号确定有效数字信号。
[0087]
具体地，将第二数字信号减去第一数字信号得到结果为有效数字信号，有效数字信号表征目标信号的大小。如，第二数字信号为b，第一数字信号为a，有效数字信号为c，则c＝b-a。减法计算可以使用软件计算或利用减法器实现。
[0088]
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中光传感芯片包括光接收元件、光发射元件、驱动电路和数据处理与控制模块，数据处理与控制模块包括模数转换器、时序控制单元和输出控制单元，通过时序控制单元控制模数转换器和驱动电路的时序，通过输出控制单元控制驱动电路的电信号大小以控制光发射元件向外界发射光信号；首先在控制发射元件不发光的情况下检测光接收元件的信号大小，然后在控制发射元件发光的情况下检测光接收元件的信号大小，然后根据两次光接收元件的信号相减去除环境光信号的影响以提高探测结果的准确性，同时根据在发射元件不发光的情况下检测到的光接收元件的信号大小确定发射元件的驱动电信号大小以降低芯片的能耗。
[0089]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。