Измерение освещённости и передача данных с помощью двунаправленных свойств светодиодов (перевод)


MITSUBISHI ELECTRIC RESEARCH LABORATORIES http://www.merl.com
Paul Dietz, William Yerazunis, Darren Leigh


TR2003-35 July 2003


Перевод teap0t<caxapa.ru> v1.002 23-Dec-2012



Аннотация

Описываемая интерфейсная схема для современных микропроцессоров может попеременно излучать и детектировать свет, используя единственный светодиод, токоограничивающий резистор и два двунаправленных цифровых вывода. Для начала эта техника используется для создания интеллектуальной системы подсветки, использующей единственный светодиод как источник и приёмник света. Затем представляется несколько устройств, использующих светодиод в качестве универсального беспроводноого последовательного порта. Важным следствием данной работы является возможность рассмотрения любого светодиода, подключённого к микропроцессору, как двунаправленной линии связи. Представленная технология претендует на решение проблемы "последнего сантиметра", потому что она позволяет различным устройствам связываться друг с другом просто и дёшево и с минимальным изменением аппаратуры.

Работа представлена на конференции UbiComp 2003, Seattle, Washington, Октябрь 12..15, 2003

Данная работа не может быть скопирована или повторена целиком или частично для любого коммерческого использования. Копирование целиком или частично без выплаты лицензионного вознаграждения разрешено в исследовательских и учебных целях при условии, что указанные полные или частичные копии содержат: отметку о копировании с разрешения Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc., благодарности авторам и отдельным участникам работы, а также все части данного заявления об авторских правах, применимые к конкретной копии. Копирование, воспроизведение или публикация для любых иных целей должна сопровождаться оформлением лицензии и выплатой лицензионных отчислений Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Все права защищены.

c201 Broadway, Cambridge, Massachusetts 02139
Copyright. Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc., 2003


Очень дешёвый способ измерения освещённости и передачи данных с помощью двунаправленных свойств светодиодов


Paul Dietz, William Yerazunis, Darren Leigh

Mitsubishi Electric Research Laboratories 201 Broadway Cambridge, Massachusetts 02139 USA

{dietz,wsy,leigh}@merl.com


1     Введение

Светоизлучающие диоды или светодиоды являются одним из наиболее часто используемых компонентов для построения интерфейсов. Область их использования включает цифровые дисплеи, указатели, устройства подсветки индикаторов на жидких кристаллах, автомобильные стоп-сигналы, устройства управления движением и вездесущие индикаторы питания.

При столь широком использовании светодиодов в качестве источников света очень легко забыть, что они, как и всякий полупроводник, чувствительны к свету и, соответственно, могут работать в качестве фотодетектора. Несмотря на то, что светодиоды не оптимизированны для обнаружения света, они достаточно эффективны при таком использовании. Эта взаимозаменяемость твердотельных излучателей и приёмников света широго освещалась [* каламбур, однако] в 70-х годах в публикациях Форреста Мимза (Forrest W. Mims) [1], [2], но забывается большинством пользователей светодиодов.


1.1 Оценка фоновой освещённости с помощью светодиодов

Не так давно мы исследовали пути улучшения беспроводных инфракрасных пультов управления, используемых в бытовой аудио- и видеотехнике. Основной интерес представляла подсветка кнопок таких пультов. Для включения подсветки требуется нажать кнопку, которую почти невозможно найти в темноте. Было решено исправить эту ситуацию.

Первой мыслью было использовать ёмкостные детекторы близости (подобные описанному в [4]) для включения подсветки пульта в процессе активного использования. К сожалению, включение подсветки при каждом касании пульта существенно уменьшало время жизни батареи, не только потому что пользователи нередко подолгу держат пульт, но и из-за того, что часто это происходит в условиях хорошего освещения, когда подсветка не нужна. Переключатель режимов работы мог бы улучшить ситуацию.

Очевидным шагом было бы добавить в схему детектор освещённости и включать подсветку только при необходимости. Фотодетектор на основе CdS недороги, но им нужен световод, который увеличивает цену и сложность механической части. С учётом фоточувствительных возможностей светодиодов было решено исследовать использование в качестве детектора освещённости самой подсветки пульта. Для этого было создано простое устройство, использующее помимо обычных компонентов драйвера светодиодов только один дополнительный вывод микроконтроллера.

Успешность включения светодиода по схеме излучатель-детектор воодушевила на рассмотрение других сфер использования. Например, быстрым переключением между прямым смещением перехода (излучение света) и обратным (фоточувствительный режим) возможно создать источник света, который будет казаться постоянно включённым, но на самом деле будет переодически измерять уровень фоновой освещённости и использовать полученные данные для автоматической подстройки яркости светодиода. Демонстрационное устройство, показанное на рисунке 6, имеет ёмкостной датчик, сигнализирующий об активности пользователя, и светодиодную подсветку с возможностями фотодетектора.


1.2 LEDComm: двунаправленная связь с помощью светодиода

В то время как изменение уровня освещённости имеет множество применений, двунаправленный обмен данными через два обращённых друг к другу светодиода выглядит ещё интереснее. Такая технология связи получила название "LEDComm". Был разработан простой прототип, позволяющий осуществлять двунаправленную передачу данных через светодиоды на расстояние нескольких сантиметров.

Одно из возможных применений LEDComm - замена систем RFID (Radio Frequency Identification - радиочастотная идентификация) при авторизации платежей и в системах разграничения доступа ([5]). Для проверки идеи было создано устройство размером с брелок для ключей, названное "iDropper", которое может принимать, сохранять и передавать данные. В отличие от RFID, iDropper поддерживает настоящее соединение точка-точка, позволяя добавлять новые функции, такие как прямую передачу полномочий от устройства к устройству без использования дополнительного считывающего оборудования.

Сфера применения передачи данных через светодиоды очень велика. Каждый светодиод, подключённый к микропроцессору, можно рассматривать как порт беспроводной связи. По сравнению с другими видами беспроводной связи на коротких дистанциях, подобными IrDA [7] и Bluetooth [8], LEDComm имеет существенно меньшую дальность и гораздо более низкую скорость передачи. Но стоимость реализации LEDComm много ниже и в большинстве случаев отсутствует вовсе, так как связь основана на программных методах, а используемая аппаратура уже существует и требует минимальной модификации.

LEDComm позволяет организовать связь в таких местах, где традиционные способы передачи слишком дороги. Индикатор включения питания во множестве бытовых приборов может превратиться в технологический порт для считывания сервисных данных или загрузки нового программного обеспечения. Сотовые телефоны могут передавать контактную информацию друг другу через подсветку своих экранов. Вместо подключения к стандартным сервисным разъёмам в автомобилях все данные можно считывать через индикатор неисправности двигателя (владелец автомобиля может использовать iDropper для сбора данных о неисправности и передать их в сервис-центр перед приездом, чтобы быть уверенным, что все необходимые инструменты и запчасти к моменту появления автомобиля будут готовы). Одним словом, приложений может быть много.

В следующих разделах будет дана базовая схема двунаправленного подключения светодиода к микропроцессору и её использования в интеллектуальной подсветке. После этого будут подробно описаны протокол LEDComm, iDropper и несколько возможных путей их использования.

ПредпросмотрВложениеРазмер
merl_using_bidirectional_leds.zip1.63 МБ