基于EZ-Color控制器的高亮LED照明混色方案

　　摘要： 本文介紹了一種基于Cypress的EZ-Color控制器和無代碼嵌入式設(shè)計(jì)軟件PSoC express實(shí)現(xiàn)高亮LED照明混色方案。該方案相比以前的方案除了具有集成度高，成本低，靈活性好，前所未有的易用性特點(diǎn)之外，還能有效地解決低頻閃爍和電磁干擾問題。

　　關(guān)鍵詞： EZ-Color控制器;混色;PrISM 技術(shù);PSoC express

　　引言

　　隨著半導(dǎo)體照明行業(yè)日異更新的步伐，具有壽命長，能耗低，應(yīng)用靈活，環(huán)保無害等眾多優(yōu)點(diǎn)的高亮LED正在孕育一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命—照明革命，使我們的生活與工作環(huán)境魅力四射，絢麗多彩。不過，由于LED本身屬于半導(dǎo)體器件的特性，使得LED照明設(shè)計(jì)時(shí)需面臨兩大挑戰(zhàn)——同種顏色的LED具有多種型號(hào)規(guī)格以及LED的性能隨溫度而降低的特性。這就要求照明工程師在進(jìn)行LED照明混色設(shè)計(jì)時(shí)，必須做LED型號(hào)規(guī)格和溫度補(bǔ)償?shù)目紤]。LED型號(hào)規(guī)格和溫度補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)不但算法復(fù)雜，而且還要求照明工程師有比較專業(yè)的色彩學(xué)理論知識(shí)。這使得很多照明設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)采用指定型號(hào)規(guī)格的LED的方法來回避復(fù)雜的LED型號(hào)規(guī)格補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)。但是這會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來成本的增加，因?yàn)長ED供應(yīng)商通常會(huì)多收10%的指定費(fèi)。為了幫助廣大的照明設(shè)計(jì)工程師解決LED混色設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，本文介紹了一種基于賽普拉斯的EZ-Color控制器不需要指定LED型號(hào)規(guī)格，而且能快速簡單完成一個(gè)性能優(yōu)良的高亮LED照明混色設(shè)計(jì)方案。

　　EZ-Color控制器

　　EZ-Color控制器是Cypress生產(chǎn)的專門針對(duì)高亮LED照明混色應(yīng)用的可編程片上系統(tǒng)芯片。它主要由8位微處理器，可編程模擬模塊和數(shù)字模塊，外加硬件乘法累加器，I2C，F(xiàn)lash, SRAM等周邊外圍模塊組成，如圖1所示。

圖1  EZ-Color控制器的功能框圖

　　因此，EZ-Color控制器除了能實(shí)現(xiàn)一般LED混色系統(tǒng)的計(jì)算控制功能之外，還可通過可編程模擬和數(shù)字模塊根據(jù)混色系統(tǒng)的具體要求靈活地實(shí)現(xiàn)所需的模擬與數(shù)字外圍功能。例如，可以通過內(nèi)部集成了16個(gè)可編程數(shù)字模塊的EZ-Color控制器CY8CLED16實(shí)現(xiàn)多至16路LED控制通道的LED照明混色系統(tǒng)，也可以設(shè)計(jì)成32位分辨率的4路LED控制通道的照明混色系統(tǒng)。 為了方便用戶簡單而快速地實(shí)現(xiàn)高亮LED混色設(shè)計(jì)，Cypress基于EZ-Color控制器和無代碼設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建了三色LED混色模塊。這個(gè)混色模塊將PSoC內(nèi)部寄存器的配置，可編程模塊的內(nèi)部連線，包含LED型號(hào)規(guī)格和溫度補(bǔ)償算法軟件都已設(shè)計(jì)好了。當(dāng)用戶需要設(shè)計(jì)照明混色系統(tǒng)，只需像windows操作一樣將三色LED混色驅(qū)動(dòng)選中后拖放到PSoC express的設(shè)計(jì)區(qū)里，所有的照明混色軟件都將自動(dòng)生成。

　　高亮LED照明混色方案的實(shí)現(xiàn)

　　基于PSoC express的混色方案實(shí)現(xiàn)機(jī)制

　　EZ-Color高亮LED照明混色設(shè)計(jì)是基于賽普拉斯的無代碼圖形化設(shè)計(jì)軟件—PSoC express實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)用戶要完成某個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，只需進(jìn)行簡單地操作即可，第一步是輸入，輸出驅(qū)動(dòng)的選擇;第二步是定義輸出與輸入的行為關(guān)系或傳遞函數(shù)關(guān)系。EZ-Color混色方案也不例外，也是由輸入，輸出驅(qū)動(dòng)和傳遞函數(shù)關(guān)系構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 EZ-Color方案實(shí)現(xiàn)機(jī)制圖

　　從上面的實(shí)現(xiàn)機(jī)制圖可以看到，EZ-Color的LED混色方案是采用(x,y,Y)表示輸入，輸出是RGB三色LED，其中三色LED 的硬件驅(qū)動(dòng)采用了SSDM(隨機(jī)信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制)用戶模塊。輸入的(x,y,Y)是按照CIE 1931色度圖的表征方法來表示EZ-Color的顏色輸入請(qǐng)求信息，即x,y代表色調(diào)和色飽和度，反映顏色的色度信息，而Y代表光通量，反映顏色的亮度信息。SSDM用戶模塊是賽普拉斯的PrISM(精確照信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制)技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)。PrISM技術(shù)是賽普拉斯專有的LED亮度調(diào)節(jié)技術(shù)，它可有效地解決電磁干擾和低頻閃爍問題。

　　PrISM技術(shù)

　　傳統(tǒng)的LED亮度控制都是用脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(PWM信號(hào))來實(shí)現(xiàn)的，通過改變占寬比來實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的。這種亮度調(diào)節(jié)方法簡單，但是由于PWM信號(hào)是高低電平固定變化的信號(hào)，因此它的諧波成份非常豐富，電磁干擾大。同時(shí)當(dāng)用低頻的PWM信號(hào)進(jìn)行亮度控制時(shí)，人眼會(huì)覺察到燈光在閃爍。

　　EZ-Color方案的亮度控制采用了Cypress的專有的PrISM技術(shù)。相比于PWM控制方法它可有效地解決電磁干擾與低頻閃爍問題。如圖3所示，PrISM技術(shù)通過將隨機(jī)計(jì)數(shù)器與用戶所要求的信號(hào)強(qiáng)度寄存器的值進(jìn)行比較，如果隨機(jī)計(jì)數(shù)器里的值小于信號(hào)強(qiáng)度值時(shí)，就輸出高電平信號(hào)，大的時(shí)候就輸出低電平，從而產(chǎn)生高低電平寬度隨機(jī)變化的精確照明脈沖信號(hào)。

圖3 PrISM技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖

　　高低電平寬度隨機(jī)變化的精確照明信號(hào)使得強(qiáng)度脈沖信號(hào)非周期性。脈沖信號(hào)的非周期性的直接好處是信號(hào)的頻譜連續(xù)而且幅度小，如圖4所示。同時(shí),PrISM高低電平信號(hào)是隨機(jī)變化的，因此不會(huì)出現(xiàn)低頻的PWM信號(hào)由于其高低電平信號(hào)緩慢變化所引起的人眼能覺察到的低頻閃爍問題。

圖4  PWM信號(hào)與PrISM信號(hào)的頻譜圖

　　PSoC express設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)調(diào)試

　　PSoC express可幫助用戶簡化并直觀地完成高亮LED混色應(yīng)用程序的開發(fā)和設(shè)計(jì)，在線調(diào)試功能。下面以賽普拉斯的EZ-Color開發(fā)板 RGB-3261A為例描述如何用PSoC express進(jìn)行混色設(shè)計(jì)和調(diào)試。

　　A. 打開PSoC express軟件，創(chuàng)建并命名一個(gè)新的工程項(xiàng)目。

　　B. 從“輸出驅(qū)動(dòng)器”列表中的High Brightness LED下面選擇Triple Luxeon K2顏色混合驅(qū)動(dòng)器，并將其拖到工作區(qū)中(見圖5)。在拖到工作區(qū)釋放后，PSoC express會(huì)彈出一個(gè)添加輸出驅(qū)動(dòng)器窗口。這個(gè)時(shí)候輸入驅(qū)動(dòng)器ColorMixer作為HBLED驅(qū)動(dòng)名稱后，點(diǎn)擊“ok”即可。

圖5  輸出驅(qū)動(dòng)器列表

　　C. 當(dāng)HBLED窗口出現(xiàn)時(shí)，可從關(guān)聯(lián)的溫度傳感器列表選擇“熱敏電阻臨時(shí)傳感器”(見圖6)。

圖6  關(guān)聯(lián)的溫度傳感器列表

　　D. 在溫度傳感器屬性窗口中輸入所選傳感器的屬性參數(shù)，見圖7。

　　E. 設(shè)置你所選的LED型號(hào)規(guī)格參數(shù)，見圖8。PSoC express軟件在編譯組建時(shí)會(huì)根據(jù)用戶所設(shè)置的溫度傳感器和LED型號(hào)規(guī)格屬性參數(shù)值自動(dòng)生成所需要的溫度補(bǔ)償和型號(hào)規(guī)格補(bǔ) 償軟件。

圖8  LED型號(hào)規(guī)格參數(shù)設(shè)置表

　　F. 設(shè)置完HBLED驅(qū)動(dòng)的參數(shù)后，點(diǎn)擊OK。

　　G. 從express里的評(píng)估器(valuator)驅(qū)動(dòng)里分別選擇4個(gè)作為輸入的變量：LEDBrightness、 LEDEnable、xValuator、yValuator;從接口(interface)驅(qū)動(dòng)里選擇I2C作為LED混色系統(tǒng)與外部控制系統(tǒng)進(jìn)行通信的接口。

　　H. 定義輸出與輸入的傳遞函數(shù)關(guān)系：右擊“ColorMixer”輸出驅(qū)動(dòng)器圖標(biāo)，然后選擇傳遞函數(shù)打開傳遞函數(shù)對(duì)話框。在傳遞函數(shù)對(duì)話框里將作為輸入的4個(gè)變量與輸出傳遞函數(shù)的4個(gè)參數(shù)一一對(duì)應(yīng)配置即可,一旦配置完后，如圖9所示，輸出與輸入之間會(huì)顯示連接線。

圖9  輸出與輸入

　　I. 編譯組建項(xiàng)目，生成用以燒錄的代碼。在編譯組建的過程中，PSoC express會(huì)彈出器件選擇和引腳配置圖。用戶根據(jù)自已所做的電路板進(jìn)行相應(yīng)的器件選擇和引腳配置后，點(diǎn)擊OK，PSoC Express會(huì)繼續(xù)完成項(xiàng)目編譯組建工作。在項(xiàng)目構(gòu)建完后，一個(gè)沒寫任何一行代碼和基于EZ-Color控制器的高亮LED照明混色系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作就基本完成了。

　　J. 程序燒錄。在項(xiàng)目編譯組建結(jié)束后，連接好程序PSoC燒錄器和點(diǎn)擊“PSoC programmer”就可以開始進(jìn)行程序K. 在線實(shí)時(shí)調(diào)試。PSoC express不但可以幫助用戶進(jìn)行直觀式圖形化設(shè)計(jì)，還支持在線實(shí)時(shí)調(diào)試功能，使得用戶可以實(shí)時(shí)輸入顏色請(qǐng)求信息，實(shí)時(shí)觀察LED混色效果，從而確保LED混色結(jié)果達(dá)到客戶滿意的效果。下面以本設(shè)計(jì)為例，簡要描述一下如何輕松實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)調(diào)試功能。第一步，連接好PSoC express在線實(shí)時(shí)調(diào)試硬件——I2USB板;第二步，從PSoC express設(shè)計(jì)區(qū)點(diǎn)擊 “monitor”，進(jìn)入調(diào)試窗口，然后點(diǎn)擊I2USB板運(yùn)行按鍵“ Running”;第三步，右擊輸出驅(qū)動(dòng)器“ColorMixer”，選中“show tuner”，然后EZ-Color調(diào)試窗口打開，見圖10.這時(shí)候用戶可以在色度圖中點(diǎn)擊所需要的顏色實(shí)時(shí)觀看混色效果了，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試功能。

圖10  EZ-Color在線實(shí)時(shí)調(diào)試窗口                                                                                        

　　結(jié)語

　　該方案設(shè)計(jì)簡單，易于應(yīng)用，性能優(yōu)良，可廣泛應(yīng)用于城市照明，室內(nèi)室外裝飾，信號(hào)燈，舞臺(tái)燈和LED廣告屏等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定一致的色彩輸出。