背光自動控制模塊
2015-04-29 00:00:00郭昱秀葉永安
電子產(chǎn)品世界 2015年11期
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用。系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境光強度實行動態(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。本文網(wǎng)絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/281898.htm
關鍵詞：自動控制；液晶屏；LED
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.022
郭昱秀（1990-），女，工程師，研究方向：雷達屏幕顯示、空管自動化裝備、內(nèi)話設備等調(diào)試維護。葉永安（1987-），男，工程師，研究方向：計算機及外圍設計。
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。
模塊組成設計
背光自動控制模塊（以下簡稱為控制模塊）的基本組成結構設計如圖2所示，主要包括控制模塊硬件和上位機控制軟件。硬件模塊由單片機、光強傳感器、電源轉換芯片組成；上位機軟件是由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)組成的基礎上，對系統(tǒng)的功能進行規(guī)劃分析。
1.1光強傳感器
光強傳感器是關鍵的組成部分，它負責向微處理器提供環(huán)境光強信息。
1.2微處理器
微處理器是核心部分，負責數(shù)據(jù)處理，它有以下幾個功能：
負責讀取光傳感器的環(huán)境光強數(shù)據(jù)，并將這些信息處理轉換成脈沖信號控制液晶屏的背光驅(qū)動器，進而完成背光亮度的控制；
解析USB上位機發(fā)送過來的指令完成相關操作。
1.3電源芯片
通過USB取電，將+5V轉換成模塊的工作電壓。
1.4上位機軟件
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。
硬件設計
硬件電路原理圖如圖3所示，主要由光強傳感器、微處理器、電源電路等組成。考慮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光強傳感器
選用Maxim公司的MAX4009集成環(huán)境光強傳感器，將所有信號調(diào)節(jié)和AD轉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，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，Uin=4.75V～12V；Uout=3.3V；Iout[max]=1A，滿足要求。
軟件設計
對系統(tǒng)設計的功能要求進行深入分析，將軟件設計分為三部分：通信協(xié)議、單片機程序和上位機軟件。
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。本設計中只是小數(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位為結束標識符，固定為CC。
3.2單片機程序
單片機程序流程如圖4左部分所示。系統(tǒng)上電之后，先會對單片機進行初始化，然后判斷上位機是否通過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，則讀取當前環(huán)境光強度，并設置上、下限門限，接著把光強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進行通信。通過設置上、下限閥值，在光線強度偏離設定范圍一定時間后，產(chǎn)生中斷通知微處理器讀取光強度，進行背光亮度調(diào)節(jié)，并設置新的上、下限門限。本設計中上、下限閥值范圍為當前光強度的±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0×03包括4位指數(shù)位E3：EO和尾數(shù)字節(jié)的4個最高有效位M7：M4，表示環(huán)境光強的流明數(shù)。尾數(shù)字節(jié)的其余4位M3：MO位于低字節(jié)流明寄存器0×04。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：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，只有主機發(fā)送STOP[1]命令時，才恢復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)境光強如何映射到背光亮度
本設計中采用的一種映射方式是Microsoft@針對運行Windows@ 7[2]操作系統(tǒng)計算機提出的。如圖5所示曲線，它可以將環(huán)境光強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：
（3）背光實施
LED背光亮度與其電流呈線性關系。集成了LED驅(qū)動器的液晶屏可以通過PWM直接控制液晶屏背光亮度。本設計中參考液晶屏的數(shù)據(jù)手冊PWM信號的頻率選用100Hz，由STM32F103的TIM3產(chǎn)生。
在背光調(diào)節(jié)過程中應避免從一個亮度級直接跳轉到另一個亮度級（驟變式的亮度變化會對眼睛造成沖擊），而應該平滑上調(diào)和下調(diào)背光亮度，確保不同亮度等級之間無縫過渡。為了達到這一目的，可采用帶有固定或不同亮度步長、可逐步調(diào)節(jié)亮度的定時中斷。本設計中參考MAX44009應用筆記中推薦的步進式亮度調(diào)節(jié)的算法進行亮度的平滑調(diào)節(jié)。
將采集進來的室內(nèi)光照度轉化為微處理器內(nèi)PWM寄存器的值，記為當前PWM值。將前PWM寄存器值記為PWM原值。將PWM原值與當前PWM值不斷比較遞增或遞減，使PWM輸出以極小的步長跟蹤當前PWM值，從而實現(xiàn)平滑調(diào)光。此算法還能解決啟動跳變問題，使系統(tǒng)啟動時PWM由零慢慢變化到當前PWM值。
PWM定時器的跳變值應該在定時器溢出中斷中重新賦值，避免跳變值的改變可能出現(xiàn)PWM信號有波動。
（4）設置上、下限閥值
MAX44009可以設置上、下限門限，在光線強度偏離上、下門限一定時間后，產(chǎn)生中斷通知微處理器讀取光強度。
由表2可知MAX44009的上、下門限只是針對高字節(jié)流明的。怎么把一個浮點型的流明數(shù)值變換成上、下限寄存器的格式數(shù)據(jù)。在這里需要采用frexp[31函數(shù)：double frexp（doublex，int*exp）；其中0.5 u8 Threshold_reg（float lux_rlhreshold） { doublex： intn； u8 y，lhreshold； x=frexp（lux_，lhreshold，n）； if（lux_lhreshold<8） { y=（u8）（x+80）j i（（y%10）>4）y+=10j y=y/10； rlhreshold=（（（u8）（n一3））<<4）I yj returnrlhreshold； } else { y=（u8）（x*l60）； if（（y%10）>4）y+=10j y=y/10； Threshold=（（（u8）（n-4））<<4）ly； returnThreshold； } } 設置上、下限閥值主要是為了改善系統(tǒng)對環(huán)境光強變化的響應，避免因為光強的瞬間變化（譬如一扇窗戶打開或瞬間有一束光掃過）而過快地改變亮度等級，這往往會造成用戶感覺不適。最初級的方法是每隔一兩秒鐘檢查一次光傳感器，然后相應地調(diào)整背光亮度。更好的方法是，只有光線強度偏離特定范圍一定時間后，才對背光亮度進行調(diào)節(jié)。 MAXIM推薦的例子是：“如果正常光強是2001ux，可能只會在光強降到1801ux以下或升至2201ux以上，而且持續(xù)時間超過數(shù)秒的情況下才調(diào)節(jié)亮度”。由于上、下限閥值設定是個固定值，當系統(tǒng)的使用環(huán)境更換時（比如說室外轉移到室內(nèi)），會造成背光調(diào)節(jié)的偏差，特別是新環(huán)境的光強度超出了上、下限閥值時，系統(tǒng)的調(diào)光效果跟最初級的方法效果一樣了。 為了解決這一問題，本設計中采用了動態(tài)設置上、下限閥值的方法。讀取當前光強度，然后取±10%為偏移量，寫進上、下限寄存器中。 3.2.2 PWM控制 STM32F103共有7個定時器，TIM1和TIM8是高級定時器，TIM2、TIM3和TIM4是通用定時器，TIM6和TIM7是基本定時器。本設計中采用通用定時器TIM3，利用TIM3產(chǎn)生周期為100Hz的PWM信號。 PWM配置步驟如下：1、設定TIM3信號周期；2、設定TIM3預分頻值；2、設定TIM3分頻系數(shù)；4、設定TIM3計數(shù)模式；5、初始化TIMTimeBaseStructure[4]；6、設定TIM3的OC模式；7、TIM3輸出使能；8、設定電平跳變初值；9、設定PWM信號的極性；10、使能TIM3信號通道；11、使能TIM3中斷；12、使能TIM3重載寄存器CCRX；13、使能TIM3計數(shù)；14、在中斷中設置新的電平跳變值。 3.2.3 USB通信 在ST提供的USB-HID的例程上做修改，增加到3個USB端點。EPO為控制端點，EP1為INTERRUPT OUT端點（PC向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)），EP2為INTERRUPTIN端點（MCU向PC發(fā)送數(shù)據(jù)）。需要對“usb_desc.e”文件進行修改，VID和PID[5]不能跟現(xiàn)有的設備相沖突。詳細可參考USB HID Vl.l協(xié)議。模塊收到上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行解析并根據(jù)命令做出相關操作，代碼如下： if（USB_ReceiveFlg==TRUE）//收到數(shù)據(jù) { USB_ReceiveFlg= FALSE； if（（RxBuffer[o]==Oxff）（RxBuffer[4]==0xcc）） { if（RxBuffer[1]==0x50）//自動調(diào)光 { Light_AM_flag=1； 12C_WriteByte（OxOl，INTENABLE，MAX44009_ADDR）； Light_HM_flag=0； } else if（RxBuffer[1]==0x05）//手動調(diào)光 { Light_AM_flag=0；12C_WriteByte（OxOO，INT_ENABLE，MAX44009_ADDR）； HM_light=RxBuffer[3]； HM_light=HM_light/100； PWM_diff（HM_light，1）；//調(diào)光百分比 } } } 3.3上位機軟件 在VB編程環(huán)境中應用“HidAPI.bas”組件進行USB通訊編程，根據(jù)上述的通信協(xié)議通過USB接口與控制模塊進行信息指令交換。軟件有兩個功能：1、勾選“AM”控制模塊進入自動控光模式，滑條將被屏蔽不允許操作：2、不勾選“AM”進入手動控光模式，可以通過滑條進行亮度調(diào)節(jié)。 在VB中滑條需要鼠標左鍵才能觸發(fā)，為了鼠標的滑輪能夠使用，加入了定數(shù)器，每20ms讀取一次滑條的值，保存并與上一次數(shù)據(jù)項比較，如果有變化則通過USB發(fā)送控制指令，否則不做處理。代碼如下： Dimlightdata_r As String Dimlightdata As String Private Sub Timerl_Timer（） Textl.Text= SliderlValue lightdata_r= lightdata‘保存上一次數(shù)據(jù) lightdata= SliderlValue‘重新賦值 Iflightdata<>lightdata_r Then‘比較 Data（1）= H5 Data（3）= lightdata CallWriteReport‘發(fā)送數(shù)據(jù) End If End Sub 軟件界面效果如圖6所示。 結論及成品展示 通過對本系統(tǒng)的調(diào)試與測試，實現(xiàn)了液晶背光的自動和手動控制。系統(tǒng)運行可靠，操作簡單，而且硬件模塊體積小便于安裝。已應用于多個顯示器產(chǎn)品中。 參考文獻： [1]Maxim. MAX44009 Data sheet Rev O[Z]. Maximintegrated.2011 [2]Windows. Integrating Ambient Light Sensors with Computers Running Windows 7[R].Microsoft.2010 [3]譚浩強，C程序設計（第三版）[M].北京：清華大學出版社2005 [4]ST.UM0427 Rev 2[Z]. STMicroelectronics，2000 [5]USB Device Working Group.Device Class Definition for Human Interface Devices[Z].USB.org.1999
