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型號規(guī)格和溫度補(bǔ)償?shù)目紤]。LED型號規(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。這使得很多照明設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)采用指定型號規(guī)格的LED的方法來回避復(fù)雜的LED型號規(guī)格補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)。但是這會給整個(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(PWM信號)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信號是高低電平固定變化的信號，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信號進(jìn)行亮度控制時(shí)，人眼會覺察到燈光在閃爍。

　　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)器里的值小于信號強(qiáng)度值時(shí)，就輸出高電平信號，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。

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

圖4  PWM信號與PrISM信號的頻譜圖

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

圖8  LED型號規(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)對話框。在傳遞函數(shù)對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，信號燈，舞臺燈和LED廣告屏等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定一致的色彩輸出。