利用小型MCU實現(xiàn)LED照明的色彩控制

LED用于通用照明已指日可待。LED在通用照明系統(tǒng)中優(yōu)勢很多，如壽命更長以及效率更高。然而， LED技術(shù)還面臨著一些挑戰(zhàn)。其中一個挑戰(zhàn)就是如何產(chǎn)生高品質(zhì)的白光。白光LED的構(gòu)成包含了藍(lán)光LED 和能將光輸出移至光譜的其他波段的一種熒光粉。許多白光LED都無法產(chǎn)生高顯色指數(shù)(Color Rendering Index，CRI)，該參數(shù)用于衡量光源真實重現(xiàn)色彩的能力。

通過混合兩種或兩種以上顏色的LED光，可以獲得品質(zhì)更高的白光系統(tǒng)。在這些多色系統(tǒng)中，每種色源的光輸出會隨時間和溫度而漂移。光傳感器和小型單片機(MCU)可用于維持特定顏色和相關(guān)色溫(Correlated Color Temperature，CCT)。在本文中，我們將進(jìn)一步了解傳感器、所需MCU資源和軟件。

目前市場上有許多經(jīng)濟實惠的小型光傳感器，它們可以向MCU提供用于處理的信息。典型地，傳感器具有一些可選的顏色過濾器，用于測量紅光、綠光、藍(lán)光或白光 (無過濾器)。光傳感器輸出接口可通過一系列的方法與MCU連接。光轉(zhuǎn)電壓傳感器通過輸出電壓與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)相連。光轉(zhuǎn)頻率傳感器提供變頻輸出，輸出頻率與光的量成正比。這些傳感器的脈沖輸出可以在MCU定時器中進(jìn)行累加，以確定光照級別。光轉(zhuǎn)數(shù)字傳感器通常具有串行數(shù)字接口，例如I2C。每種類型的傳感器接口都具有獨特的優(yōu)點，且需要不同的MCU資源。圖1所示的系統(tǒng)框圖給出了多種MCU外設(shè)，它們在顏色可調(diào)的LED照明設(shè)計中非常有用。

在完整的閉環(huán)色彩控制系統(tǒng)中，MCU必須讀取來自光傳感器的顏色成分，校準(zhǔn)光傳感器輸出，并通過調(diào)節(jié)各個LED驅(qū)動器的輸出獲得想要的顏色。LED需要使用恒流驅(qū)動器來維持光輸出的一致性。這可以使用各種驅(qū)動器技術(shù)實現(xiàn)，這些技術(shù)包括線性和開關(guān)模式解決方案。最終的選擇取決于諸如效率要求、輸入電壓范圍和所用LED數(shù)量等因素。

驅(qū)動器輸出可以使用不同的方法來控制。首先，MCU可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或數(shù)字電位計來產(chǎn)生模擬參考電壓。參考電壓可以使驅(qū)動器輸出在零至最大電流之間變化。MCU還可以提供用于調(diào)制驅(qū)動器輸出的PWM信號。PWM信號可用于使能/禁止驅(qū)動器本身，或者用于控制將LED與驅(qū)動器輸出斷開的開關(guān)。如果使用PWM控制，則選擇的PWM頻率要足夠高，這樣人眼才能察覺不到任何閃爍。

設(shè)計人員必須確定色彩控制系統(tǒng)要求的控制分辨率需要達(dá)到何種程度，以便選擇具備相應(yīng)外設(shè)的MCU。對于光轉(zhuǎn)電壓傳感器，MCU上ADC的測量分辨率很重要。光轉(zhuǎn)頻率傳感器需要一個通過外部時鐘實現(xiàn)遞增的MCU時基。光轉(zhuǎn)數(shù)字傳感器需要相應(yīng)的串行通信接口外設(shè)。