背光亮度自處理式的環(huán)境光傳感器系統設計

　　環(huán)境光傳感器(ALS)集成電路正越來(lái)越多地用于各種顯示器和照明設備，以節省電能，改善用戶(hù)體驗。

　　借助ALS解決方案，系統設計師可根據環(huán)境光強度，自動(dòng)調節顯示屏的亮度。因為背光照明的耗電量在系統的總耗電量中占據很大的比例，實(shí)行動(dòng)態(tài)的背光亮度控制，可節省大量的電能。

　　此外，它還能夠改善用戶(hù)體驗，讓顯示屏亮度根據環(huán)境光條件自行調整到最佳狀態(tài)。

　　系統實(shí)現需要三大部分：監測環(huán)境光強的光傳感器、數據處理裝置(通常是微控制器)、控制背光輸入電流的執行器。

　　環(huán)境光傳感器

　　圖1是實(shí)施背光控制的系統示范框圖。在這套組合中，光傳感器是關(guān)鍵的組成部分，因為它要向系統的其他模塊提供環(huán)境光強信息。

　　光傳感器必須具備將光信號轉換成電信號的信號轉換器(譬如光電二極管或CdS光敏電阻)和信號放大和/或調節裝置以及模/數轉換器(ADC)。

　　圖1 實(shí)施背光控制的系統框圖

　　圖2所示為分立光電二極管電路，從圖中可以看出，該電路需要一個(gè)或多個(gè)運算放大器：一個(gè)用于電流到電壓的轉換，可能還需要一級放大，提供附加增益。它還包括一些分支電路，用于供電，確保高度可靠的信號鏈。而在空間極其寶貴的應用中，所需元件的數量過(guò)多可能導致空間受限問(wèn)題。

　　圖2 光電二極管電路分立設計

　　這里還存在一個(gè)更細微的問(wèn)題。具體而言，理想情況下，應確保環(huán)境光的測量模擬了人眼對光線(xiàn)的響應機制。這通常借助CIE提供的視覺(jué)亮度曲線(xiàn)(圖3)。然而，光電二極管很少能夠完全模擬這種響應機制，因為它們通常具有很高的紅外(IR)靈敏度。在IR強度較大的光照條件(譬如白熾燈或日光)下，這種紅外靈敏度會(huì )造成錯誤地判斷光線(xiàn)強度。

　　解決上述問(wèn)題的方法之一是使用兩個(gè)光電二極管：一個(gè)采用對可見(jiàn)光和紅外光都很敏感的元件，另一個(gè)采用只對紅外光敏感的元件。最終用前者的響應值減去后者的響應值，將紅外干擾降至最小，獲得準確的可見(jiàn)光響應。

　　這種解決方案雖然有效，卻增加了分立電路的占用空間。通常還很難、甚至不可能讓兩個(gè)分立的光電二極管配合得足夠緊密，以實(shí)現消除紅外干擾的目的。如果不配備精密放大器(譬如對數放大器)，動(dòng)態(tài)范圍可能很小。換句話(huà)說(shuō)，很難利用這種組合獲得可重復的結果。

　　圖3 CIE曲線(xiàn)和典型的光電二極管

　　高集成度解決方案不僅能夠獲得比人眼光學(xué)系統更真實(shí)的光強數據，還能夠節省大量空間。MAX9635、MAX44009等環(huán)境光傳感器，可將所有信號調節和模/數轉換器集成在一個(gè)小封裝(2mm x 2mm UTDFN封裝)內，從而在空間受限應用中有效節省電路板面積。

　　圖4提供了MAX44009的功能框圖，采用I2C通信協(xié)議，使其與微控制器的連接方式更簡(jiǎn)單，數據傳輸速度更快。除此之外，該解決方案的高集成特性使其能夠置于柔性電纜，安裝在離主電路板距離合適的位置。

　圖4 MAX44009功能框圖

　　調節顯示屏亮度

　　該控制方案的第二部分是調節顯示屏的背光亮度。這可通過(guò)多種方式實(shí)現，具體取決于設備中的顯示屏模塊。

　　有兩種最簡(jiǎn)單的方式：

　　1.借助脈沖寬度調制(PWM)方案的直接調節方式，

　　2.采用顯示屏控制器的間接調節方式。

　　許多顯示屏模塊如今都配有一個(gè)集成控制器，用戶(hù)可以通過(guò)向控制器發(fā)送串行命令，直接設置背光亮度。

　　如果顯示屏模塊未配備集成控制器，還可安裝一個(gè)簡(jiǎn)單的背光控制執行器，控制顯示屏后面用于背光照明的白光LED燈的輸入電流。實(shí)現這種控制的一種簡(jiǎn)單辦法是：直接給LED串聯(lián)一個(gè)場(chǎng)效應晶體管(FET)，使用PWM信號快速打開(kāi)、關(guān)閉FET (圖5)。

　　然而，也可以利用單一芯片(用于LED控制的MAX1698升壓轉換器)準確、可靠地調節(圖6)。

　　圖5 簡(jiǎn)單的PMW控制電路

　　圖6 基于MAX1698的LED亮度調節器

　　建立連接

　　最后一步就是在傳感器和執行器之間建立連接，通過(guò)微控制器實(shí)現。有人可能首先要問(wèn)：“環(huán)境光強如何映射到背光亮度?”事實(shí)上，有些文獻專(zhuān)門(mén)介紹了相關(guān)方案。其中一種映射方式是，Microsoft針對運行Windows 7操作系統的計算機提出的。圖7所示曲線(xiàn)是由Microsoft提供的，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)。

　　圖7 將環(huán)境光強映射為最佳顯示屏亮度的曲線(xiàn)示例

　　這種特殊曲線(xiàn)可以用以下函數表示：

　　如果設備采用的是已集成亮度控制功能的LCD控制芯片，就可通過(guò)向芯片發(fā)送指令，輕松設置背光亮度。如果設備采用的是PWM直接控制亮度，則要考慮如何將比例信號映射至顯示屏亮度。

　　在MAX1698示例中，根據其產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的介紹，可以將驅動(dòng)電流映射為電壓。通過(guò)這個(gè)示例，我們可以假設LED電流強度幾乎與其電流呈線(xiàn)性關(guān)系。這樣，我們就可以在上述等式中乘上一個(gè)系數，計算出PWM所映射的有效電壓，該電壓再被映射至LED電流，最后轉化成顯示屏亮度。

　　方案實(shí)施

　　最好不要從一個(gè)亮度級直接跳轉到另一個(gè)亮度級，而是平滑上調和下調背光亮度，確保不同亮度等級之間無(wú)縫過(guò)渡。為了達到這一目的，最好采用帶有固定或不同亮度步長(cháng)、可逐步調節亮度的定時(shí)中斷，也可采用帶有可控制LED輸入電流的PWM值的定時(shí)中斷，或者是能夠發(fā)送到顯示屏控制器的串行指令的定時(shí)中斷。圖8提供了這種算法的一個(gè)示例。

　　圖8 步進(jìn)式亮度調節的算法示例

　　另一個(gè)問(wèn)題是，系統響應環(huán)境光強變化的速度。我們應盡量避免過(guò)快地改變亮度等級。這是因為光強的瞬間變化(譬如一扇窗戶(hù)打開(kāi)或瞬間有一束光掃過(guò))可能導致背光亮度發(fā)生不必要的變化，這往往會(huì )造成用戶(hù)感覺(jué)不適。并且，較長(cháng)的響應時(shí)間還有助于減少微控制器對光傳感器的檢測次數，從而可以釋放一定的微控制器資源。

　　最初級的方法就是每隔一兩秒鐘檢查一次光傳感器，然后相應地調整背光亮度。更好的方法是，只有光線(xiàn)強度偏離特定范圍一定時(shí)間后，才對背光亮度進(jìn)行調節。譬如，如果正常光強是200lux，我們可能只會(huì )在光強降到180lux以下或升至220lux以上，而且持續時(shí)間超過(guò)數秒的情況下才調節亮度。幸運的是，MAX9635和MAX44009都集成了中斷引腳和閾值寄存器，可輕松實(shí)現這個(gè)目的。