背光自動控制模塊

摘要：本文主要講述采用集成環(huán)境光傳感器控制顯示屏背光亮度的應(yīng)用。系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度實行動態(tài)的背光控制，降低功耗。讓顯示屏亮度根據(jù)環(huán)境光條件自行調(diào)整到最佳狀態(tài)，改善用戶體驗。同時也能手動調(diào)節(jié)背光亮度。

前言

　　一個完整的液晶背光控制系統(tǒng)包括二部分：(1)背光自動控制模塊;(2)LED驅(qū)動器。其中背光自動控制模塊有光傳感器和數(shù)據(jù)處理裝置(通常是微控制器)組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　現(xiàn)在絕大部分CCFL背光的液晶屏都已經(jīng)停產(chǎn)，各液晶屏生產(chǎn)商都已經(jīng)采用WLED背光，并且有的已經(jīng)將LED驅(qū)動器集成到液晶屏。本文介紹背光自動控制模塊。

1 模塊組成設(shè)計

　　背光自動控制模塊(以下簡稱為控制模塊)的基本組成結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，主要包括控制模塊硬件和上位機(jī)控制軟件。硬件模塊由單片機(jī)、光強(qiáng)傳感器、電源轉(zhuǎn)換芯片組成;上位機(jī)軟件是由VB編寫的一個USB通信控制軟件。

　　為了更有效地實現(xiàn)系統(tǒng)，在系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的功能進(jìn)行規(guī)劃分析。

1.1 光強(qiáng)傳感器

　　光強(qiáng)傳感器是關(guān)鍵的組成部分，它負(fù)責(zé)向微處理器提供環(huán)境光強(qiáng)信息。

1.2 微處理器

　　微處理器是核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，它有以下幾個功能：

　　負(fù)責(zé)讀取光傳感器的環(huán)境光強(qiáng)數(shù)據(jù)，并將這些信息處理轉(zhuǎn)換成脈沖信號控制液晶屏的背光驅(qū)動器，進(jìn)而完成背光亮度的控制;

　　解析USB上位機(jī)發(fā)送過來的指令完成相關(guān)操作。

1.3 電源芯片

　　通過USB取電，將+5V轉(zhuǎn)換成模塊的工作電壓。

1.4 上位機(jī)軟件

　　基于USB-HID對硬件模塊控制指令，并接收硬件模塊的反饋信息。

2 硬件設(shè)計

　　硬件電路原理圖如圖3所示，主要由光強(qiáng)傳感器、微處理器、電源電路等組成?？紤]到顯示器的空間限制，在保證功能的前提下優(yōu)先考慮小封裝的元器件。

2.1 光強(qiáng)傳感器

　　選用Maxim公司的MAX4009集成環(huán)境光強(qiáng)傳感器，將所有信號調(diào)節(jié)和AD轉(zhuǎn)換器集成在一個封裝內(nèi)，有效節(jié)省電路板面積;低功耗(ICC=0.65μA);傳感器的光譜靈敏度需要與人眼接近;采用I2C通信協(xié)議;可設(shè)置上、下限閥值中斷使其與微控制器的連接方式更簡單，數(shù)據(jù)傳輸速度更快。

2.2 微控制器

　　選用ST公司的STM32F103T8U6單片機(jī)，QFN36封裝;內(nèi)部集成IIC以及USB控制器;通過USB口與外部通信;IIC配合外部中斷與光強(qiáng)傳感器通信;TIM3輸出PWM控制信號;TIM2為通用定時器。

2.3 電源芯片

　　電源芯片選用ASM1117-3.3，U_in=4.75V～12V;U_out=3.3V;I_out[max]=1A;滿足要求。

3 軟件設(shè)計

　　對系統(tǒng)設(shè)計的功能要求進(jìn)行深入分析，將軟件設(shè)計分為三部分：通信協(xié)議、單片機(jī)程序和上位機(jī)軟件。

3.1 通信協(xié)議

　　通信協(xié)議是指雙方實體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定，是確保數(shù)據(jù)順利地、正確地傳送的基礎(chǔ)。本設(shè)計中只是小數(shù)據(jù)量的有線通信，所以只是建立了一個簡單的通信協(xié)議。具體如下：

　　命令格式：FF WW XX YY CC(5個字節(jié)的16進(jìn)制數(shù))。

　　第1位為協(xié)議頭，固定為FF。

　　第2位WW為指令類型：50是自動模式指令;05是手動模式指令。

　　第3、4位XX和YY在自動和手動模式下代表不同的意義：

　　自動模式下：XX、YY分別為光傳感器的高字節(jié)流明寄存器和低字節(jié)流明寄存器的數(shù)據(jù)。

　　手動模式下：XX是背光亮度的百分比值，范圍1~100。

　　第5位為結(jié)束標(biāo)識符，固定為CC。

3.2 單片機(jī)程序

　　單片機(jī)程序流程如圖4左部分所示。系統(tǒng)上電之后，先會對單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后判斷上位機(jī)是否通過USB發(fā)送控制指令過來，接著判斷是自動控制指令還是手動控制指令，如果是自動控制指令，則讀取當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)度，并設(shè)置上、下限門限，接著把光強(qiáng)度變換成背光亮度的百分比，最后調(diào)用PWM滑動調(diào)節(jié)控制背光;如果是手動控制命令，則讀取上位機(jī)發(fā)送過來的背光亮度的百分比，調(diào)用PWM滑動調(diào)節(jié)控制背光。

3.2.1 MAX44009通信控制

　　STM32F103通過I²C與MAX44009進(jìn)行通信。通過設(shè)置上、下限閥值，在光線強(qiáng)度偏離設(shè)定范圍一定時間后，產(chǎn)生中斷通知微處理器讀取光強(qiáng)度，進(jìn)行背光亮度調(diào)節(jié)，并設(shè)置新的上、下限門限。本設(shè)計中上、下限閥值范圍為當(dāng)前光強(qiáng)度的±10%。

　　(1)讀取流明

　　流明寄存器包含高、低字節(jié)流明寄存器。高字節(jié)流明寄存器0x03包括4位指數(shù)位E3:E0和尾數(shù)字節(jié)的4個最高有效位M7:M4，表示環(huán)境光強(qiáng)的流明數(shù)。尾數(shù)字節(jié)的其余4位M3:M0位于低字節(jié)流明寄存器0x04。如表1所示。用戶可以選擇只讀高字節(jié)流明寄存器或者連續(xù)讀高、低字節(jié)流明2個寄存器來得到流明數(shù)。

　　只讀高字節(jié)流明寄存器換算公式：

　　Lux=2^{(8×E3+4×E2+2×E1+E0)×(}8×M7+4×M6+2×M5+M4)×0.72

　　讀高、低字節(jié)流明寄存器換算公式：

　　Lux=2^{(8×E3+4×E2+2×E1+E0)}×(128×M7+64×M6+32×M5+16M4+8×M3+4×M2+2×M1+M0)×0.045

　　本設(shè)計中為了增強(qiáng)IC的流明讀數(shù)分辨率，所以選擇連續(xù)讀取高、低字節(jié)流明寄存器。值得注意的是，為了確保內(nèi)部ADC和I²C寄存器之間正確傳輸數(shù)據(jù)，在I²C讀操作期間，芯片內(nèi)部禁止高字節(jié)流明寄存器和低字節(jié)流明寄存器的更新，只有主機(jī)發(fā)送STOP^[1]命令時，才恢復(fù)I²C寄存器更新。所以在連續(xù)讀取2個字節(jié)流明寄存器時，讀完高字節(jié)寄存器后不能發(fā)送STOP信號，必須在讀完的字節(jié)低字節(jié)寄存器后才能發(fā)送STOP。

　　(2)環(huán)境光強(qiáng)如何映射到背光亮度

　　本設(shè)計中采用的一種映射方式是Microsoft?針對運(yùn)行Windows? 7^[2]操作系統(tǒng)計算機(jī)提出的。如圖5所示曲線，它可以將環(huán)境光強(qiáng)度映射到顯示屏亮度(以全部亮度的百分比表示)。

　　這個特性曲線可以用以下函數(shù)表示：

(1)