TSL2521 AN001042产品文档：与传统ALS设备的设置和比较

与传统设备相比，TSL2521 在 2.0 mm x 1.0 mm x 0.5 mm 的极小空间内提供了新的 ALS 和闪烁测量功能。ALS 和闪烁在同一时基上运行，FIFO 更大，它具有一些数据压缩功能，并且可以通过单独的设置按顺序规划测量。此外，新的残差测量功能以更低的增益提供更高的分辨率。这些新功能（尤其是时序和时序）需要的寄存器与TCS3707等传统ALS设备不同，因此寄存器现在具有不同的名称。

本文档解释了ALS测量与传统ALS设备（例如TCS3707）相比的设置，并显示了ALS和闪烁测量之间的新关系。

TSL2521 ALS 和闪烁设置

ALS传统设备的数据表用于以滤波器命名测量通道，例如清除通道、红色通道、蓝色通道等。在TCS3707等设备上，可以通过多路复用器改变二极管到通道的连接，但这在测量过程中并不容易，因此不常用。

TSL2521只有两个ALS通道，但可以很容易地改变单个二极管与ALS引擎之间的连接（无论该二极管上的哪个滤波器）。因此，与通道相关的寄存器不是以二极管的滤波器特性命名的，如透明（C）和红外（IR），而是以两个可用的ALS调制器命名：调制器0和调制器1。

默认设置必须更改，因为它指的是不同的滤波器布局：调制器 0 应连接到四个透明二极管 1、2、3 和 4;调制器 1 应连接到两个 IR 二极管 0 和 5。闪烁测量没有单独的通道/调制器，每个调制器可以同时用于 ALS 和闪烁测量。在TSL2521上，应优先使用透明二极管在调制器 0 上进行闪烁测量。

在具有高透射率的应用中，即使在增益设置为 0.5 倍时，阳光直射也可能导致饱和，尤其是在连接到透明二极管的调制器 0 上。通过将少于 4 个 Clear 二极管连接到时序控制器 SMUX 寄存器中的调制器 0，可以避免这种情况。

音序器

TSL2521内置了用于 ALS 和 Flicker 测量的可编程定序器。有 4 个音序器步骤（步骤 0 到步骤 3）可用，但并非所有步骤都需要使用。

在像 TCS3707 这样的 ALS 传统设备中，没有可用的可比音序器，因此这就像只使用TSL2521的步骤 0。对于简单的双通道 ALS/闪烁测量，一个步骤可能就足够了，因此TSL2521的默认设置仅使用步骤 0。

为了获得更大的灵活性，可以为每个音序器步骤单独选择一些设置，其中大多数以 4 位模式组织 - 模式的每个位代表一个步骤。需要在两个调制器的寄存器MEAS_SEQR_ALS_FD_1 measurement_sequencer_als_pattern中以这样的模式启用 ALS，默认情况下，两个调制器的 ALS 仅在步骤 0 中启用。

可以单独为每个调制器启用闪烁测量，因此有两个模式场，measurement_sequencer_mod0_fd_pattern 和 measurement_sequencer_mod1_fd_pattern，都在注册MEAS_SEQR_FD_0。

定序器步骤的持续时间由 ALS 积分时间、闪烁测量时间或等待时间定义 - 无论激活并持续更长的时间。如果只执行步骤 0，则对整个定序器周期也有效。

如果在步骤中既没有使用相应的模式启用 ALS、闪烁或等待时间，则此步骤将被省略。

残差测量

残差测量是 TSL2521 上的一项新功能，可用于测量 ALS 上的 Sub-LSB，并在积分时间结束时闪烁数据。残差表示完整计数的分数：与传统器件一样，积分ADC（ALS调制器）通常只计算1，当由光电流充电的电容器达到一定电压时。当积分时间结束时，通常未达到此电压的剩余电荷会放电。残余测量的想法是测量剩余电荷以获得完整计数的分数。

由于残差测量是在该设备上以最大 4 位的分辨率完成的，因此几乎可以免费获得 4 个额外分辨率位。这样，就可以使用比高增益具有更好线性度的较低增益，因为残差位在LSB侧提供了额外的分辨率。

然而，这也是有限制的，因此残余测量分辨率在较高增益时会降低——这就是为什么残差测量主要适用于在中等和较低增益下提高分辨率的原因。

有两个不同的增益表，默认的增益表将每个增益步长从增益 128 倍开始的评估残余位数减少 1。第二个增益表的有效期最高为 256 倍，并且始终使用 4 位残差。建议使用第二个增益表，并将最大增益限制为 256 倍。在这种情况下，添加 4 位残余分辨率可产生 4096 倍的有效增益，但在 256 倍的增益非线性下，这是相当低的。为了使用第二个增益表，mod_gain_select在开始测量之前必须设置为3，该字段可以在寄存器MOD_GAIN_H中找到。在寄存器CFG8中，必须将场measurement_sequencer_max_mod_gain设置为9，才能将调制器增益限制为256倍。

ALS/闪烁增益和 AGC

ALS测量的另一个基本参数是ALS增益设置。对于像 TCS3707 这样的 ALS 传统设备，只有一个 AGAIN 值。对于TSL2521，增益是按调制器设置的，甚至每个序列都是单独设置的。调制器0和调制器1的增益都可以在寄存器MEAS_SEQR_STEP0_MOD_GAINX_L中设置。调制器增益范围为0.5倍至4096倍，在寄存器CFG8中受所有调制器和时序器步进的场measurement_sequencer_max_mod_gain限制。请注意，如果启用了自动增益控制

（AGC） 调制器增益寄存器根据上次测量值进行更改。

可以使用位域 als_data0_gain_status 和 als_data1_gain_status 从ALS_STATUS2寄存器中读取用于ALS_DATA寄存器中当前结果集的增益。该增益信息对于勒克斯方程非常重要，因为AGC（如果启用）可能会改变最初设置的调制器增益。

实现了两种自动增益控制 （AGC） 方法。传统是饱和AGC，它在调制器饱和的情况下降低增益，并重复测量，直到没有饱和结果。这种方法很简单，只要动态范围允许，总能产生有用的结果，但可能需要更长的时间，并且此过程引起的时间延迟不是确定的。

饱和AGC可以在现场measurement_sequencer_agc_asat_pattern寄存器MEAS_SEQR_STEP1_MOD_PHDX_SMUX_H中单独启用，每个音序器步骤都可以单独启用。此设置对两个调制器都有效。

第二个是预测 AGC，它通过降低增益进行测量来定义下一次测量的增益。增益降低可在现场measurement_mod_gain_reduction的寄存器CFG8中设置;默认情况下，它会将增益降低 4 级。预测AGC的优点是测量时间更短且具有确定性，但在突然变化的情况下，它可能导致饱和结果，需要在检查饱和信号后丢弃。

对于每个定序器步骤，可以在现场measurement_sequencer_agc_predict_pattern寄存器MEAS_SEQR_STEP2_MOD_PHDX_SMUX_H中单独启用预测AGC。此设置对两个调制器都有效。

AGC 测量是通过在实际测量序列之前添加一个额外的 ALS 序列轮来完成的。两种 AGC 方法不需要使用相同的 ALS 积分时间，因为 AGC 在寄存器 AGC_NR_SAMPLE[7：0] 和 AGC_NR_SAMPLES[10：8] 中有自己的专用agc_nr_samples字段，sample_time与 ALS/Flicker 相同。这可以通过使用更短的 AGC 测量积分时间来帮助缩短整个 ALS 测量时间。两种AGC方法可以同时使用，在这种情况下，预测AGC首先设置增益，但如果仍然发生模拟饱和，饱和AGC会以降低的增益重复测量。请注意，由于采用饱和AGC方法，在这种情况下，ALS测量时间也不是确定性的。

AGC 的执行频率在寄存器MOD_CALIB_CFG0中用mod_calib_nth_iteration定义。此外，ACG 需要通过设置位来链接到mod_calib_nth_iterationmod_calib_nth_iteration_agc_enable寄存器MOD_CALIB_CFG2。请注意，默认情况下不启用此位，但必须启用才能使用一种或两种 AGC 方法。

等待时间

与传统 ALS 设备（如 TCS3707）上的 ALS 测量相关的是定义 ALS 测量采样率的等待时间，因此必须高于设定的 ALS 积分时间。激活此 WTIME 的方法是在 ENABLE 寄存器中设置使能位 温。

WTIME也出现在TSL2521上，但不再需要温。相反，寄存器TRIGGER_MODE中mod_trigger_timing了额外的位字段，可以关闭等待时间或定义 WTIME 的时基乘法器。

此外，需要在位域measurement_sequencer_wait_pattern寄存器MEAS_SEQR_RESIDUAL_1_AND_WAIT中单独激活每个音序器步骤的等待时间。对于TSL2521上的所有时序器模式寄存器，如果仅使用时序步骤 0，则默认值为正确的值。

ALS 结果数据格式

内部数据格式

在内部，ALS 结果存储在 32 位字中。无论是否测量，4 个 LSB 位始终保留用于残差计数 - 如果没有，则设置为 0。如果选择或测量的残差位少于 4，则 ALS 结果格式中仍保留 4 位 - LSB 侧未测量的残差位设置为 0。

由于 sample_time 和 als_nr_samples 都是 11 位宽的字段，因此完整计数的最大位宽为 22 位，在 LSB 侧的残差计数增加 4 位等于最大 ALS 结果位宽度为 26 位。实际动态范围主要取决于sample_time和als_nr_samples的实际设置，在大多数应用中，动态范围并不高。寄存器MEAS_MODE1中的字段als_msb_position将 32 位结果寄存器内的 MSB 从第 31 位移动到选定位。

16 位数据满计数产生 ALS_DATA 个寄存器

如果ALS结果应该在ALS_STATUS和ALS_DATAx寄存器上读取，则可以像在传统设备中一样读出16位完整计数，而无需使用FIFO，但无论是否测量，都没有残差计数。

在这种情况下，寄存器MEAS_MODE0中的字段als_scale需要设置为 0。

20 位数据产生 ALS_DATA 寄存器，包括 4 位残差

可以在ALS_DATAx寄存器上传输 16 位完整计数，此外，在完整计数数量较少的情况下，还可以传输残差计数——这是有道理的，因为残差计数提供的额外分辨率很有帮助，尤其是在弱光条件下。

寄存器MEAS_MODE0中的字段als_scale必须设置为需要为 0 的完整计数 MSB 数，以便将残差计数改为 LSB 侧，默认情况下为 4，因为我们有 4 个残差位。0 的 MSB 位被简单地省略了。为了将这样的结果标记为“缩放”，ALS_STATUS寄存器包含在这种情况下设置的每个调制器的als_datax_scaled位

通过FIFO传输的24位ALS结果数据

使用比 20 位更高的动态范围只能使用 ALS 结果的 FIFO 传输。由于FIFO主要用于闪烁数据，因此闪烁数据的写入优先于ALS数据的写入。因此，再次建议将ALS测量和闪烁测量保持在定序仪的不同步骤中。如果无法做到这一点，则必须设置寄存器 CFG1 中的位do_als_final_processing。这会延迟 ALS 数据的写入，直到写入所有闪烁数据，然后将 ALS 数据写入 FIFO。

ALS 数据的格式在寄存器 CFG2 的字段mod_als_fifo_data_format中选择。建议使用 24 位格式，因为它为每个选择的调制器结果节省一个字节并提供高动态范围，但是，也可以使用 32 位格式，而 16 位格式使用与前几章中解释的相同的格式选项通过ALS_DATAx传输结果。

寄存器中mod_als_fifo_datax_write_enable的字段MOD_FIFO_DATA_CFGx定义是否将相应的ALS调制器结果推送到FIFO。数据以低字节一阶推送，从第一个定序器步骤和最低选择的调制器数量开始。

需要设置寄存器MEAS_MODE0中的场mod_fifo_als_status_write_enable，以便在一个定序器步骤的选定ALS调制器结果后，将3个状态寄存器ALS_STATUS、ALS_STATUS2和ALS_STATUS3（保留）按该顺序推送到FIFO。这些状态寄存器包含模拟饱和信息和增益信息，是勒克斯方程计算所必需的。

ALS结果的饱和度和最大值

有三种情况会导致无效的 ALS 结果，其中两种可以通过专用标志和/或结果代码注意到，一种需要由主机软件处理。

闪烁结果数据格式

闪烁数据最大为 15 位，LSB 侧为 4 位残差，由于场sample_time为 11 位宽，因此满计数最大为 11 位。在内部，这些最大 15 位存储在 16 位数据寄存器中。

如果在排序器步骤中启用了闪烁测量，则闪烁数据始终写入 FIFO，从为闪烁测量选择的最低调制器编号开始。此外，应启用寄存器MEAS_MODE1的第 5 位mod_fifo_fd_gain_write_enable，以识别已用增益，尤其是在使能 AGC 时。闪烁测量增益（如果在同一步骤中激活，则与ALS调制器增益相同）以与ALS_STATUS2和ALS_STATUS3（保留）相同的结构写入FIFO，无论为闪烁数据收集启用了多少个通道，闪烁测量增益（与ALS调制器增益相同）都以FD_STATUS2和FD_STATUS3（保留）的形式写入FIFO。图17显示了FIFO数据结构，如果一个调制器启用了闪烁测量，并传输16位闪烁数据。出于演示原因，fd_nr_samples设置为 3。首先以低字节传输 16 位数据。