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(wú)代碼嵌入式設計軟件PSoC express實(shí)現高亮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(wèn)題。

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

　　引言

　　隨著(zhù)半導體照明行業(yè)日異更新的步伐，具有壽命長(cháng)，能耗低，應用靈活，環(huán)保無(wú)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(guò)，由于LED本身屬于半導體器件的特性，使得LED照明設計時(shí)需面臨兩大挑戰——同種顏色的LED具有多種型號規格以及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照明混色設計時(shí)，必須做LED型號規格和溫度補償的考慮。LED型號規格和溫度補償算法設計不但算法復雜，而且還要求照明工程師有比較專(zhuān)業(yè)的色彩學(xué)理論知識。這使得很多照明設計工程師在設計生產(chǎn)時(shí)采用指定型號規格的LED的方法來(lái)回避復雜的LED型號規格補償算法設計。但是這會(huì )給整個(gè)系統帶來(lái)成本的增加，因為L(cháng)ED供應商通常會(huì )多收10%的指定費。為了幫助廣大的照明設計工程師解決LED混色設計的挑戰，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型號規格，而且能快速簡(jiǎn)單完成一個(gè)性能優(yōu)良的高亮LED照明混色設計方案。

　　EZ-Color控制器

　　EZ-Color控制器是Cypress生產(chǎn)的專(zhuān)門(mén)針對高亮LED照明混色應用的可編程片上系統芯片。它主要由8位微處理器，可編程模擬模塊和數字模塊，外加硬件乘法累加器，I2C，Flash, 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)現一般LED混色系統的計算控制功能之外，還可通過(guò)可編程模擬和數字模塊根據混色系統的具體要求靈活地實(shí)現所需的模擬與數字外圍功能。例如，可以通過(guò)內部集成了16個(gè)可編程數字模塊的EZ-Color控制器CY8CLED16實(shí)現多至16路LED控制通道的LED照明混色系統，也可以設計成32位分辨率的4路LED控制通道的照明混色系統。 為了方便用戶(hù)簡(jiǎn)單而快速地實(shí)現高亮LED混色設計，Cypress基于EZ-Color控制器和無(wú)代碼設計軟件構建了三色LED混色模塊。這個(gè)混色模塊將PSoC內部寄存器的配置，可編程模塊的內部連線(xiàn)，包含LED型號規格和溫度補償算法軟件都已設計好了。當用戶(hù)需要設計照明混色系統，只需像windows操作一樣將三色LED混色驅動(dòng)選中后拖放到PSoC express的設計區里，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

　　基于PSoC express的混色方案實(shí)現機制

　　EZ-Color高亮LED照明混色設計是基于賽普拉斯的無(wú)代碼圖形化設計軟件—PSoC express實(shí)現的。當用戶(hù)要完成某個(gè)系統的設計時(shí)，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單地操作即可，第一步是輸入，輸出驅動(dòng)的選擇;第二步是定義輸出與輸入的行為關(guān)系或傳遞函數關(guān)系。EZ-Color混色方案也不例外，也是由輸入，輸出驅動(dòng)和傳遞函數關(guān)系構成，如圖2所示。

圖2 EZ-Color方案實(shí)現機制圖

　　從上面的實(shí)現機制圖可以看到，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 的硬件驅動(dòng)采用了SSDM(隨機信號強度調制)用戶(hù)模塊。輸入的(x,y,Y)是按照CIE 1931色度圖的表征方法來(lái)表示EZ-Color的顏色輸入請求信息，即x,y代表色調和色飽和度，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(hù)模塊是賽普拉斯的PrISM(精確照信號強度調制)技術(shù)的硬件實(shí)現。PrISM技術(shù)是賽普拉斯專(zhuān)有的LED亮度調節技術(shù)，它可有效地解決電磁干擾和低頻閃爍問(wèn)題。

　　PrISM技術(shù)

　　傳統的LED亮度控制都是用脈沖寬度調制信號(PWM信號)來(lái)實(shí)現的，通過(guò)改變占寬比來(lái)實(shí)現亮度調節的。這種亮度調節方法簡(jiǎn)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)當用低頻的PWM信號進(jìn)行亮度控制時(shí)，人眼會(huì )覺(jué)察到燈光在閃爍。

　　EZ-Color方案的亮度控制采用了Cypress的專(zhuān)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(wèn)題。如圖3所示，PrISM技術(shù)通過(guò)將隨機計數器與用戶(hù)所要求的信號強度寄存器的值進(jìn)行比較，如果隨機計數器里的值小于信號強度值時(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變化的精確照明脈沖信號。

圖3 PrISM技術(shù)實(shí)現框圖

　　高低電平寬度隨機變化的精確照明信號使得強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而且幅度小，如圖4所示。同時(shí),PrISM高低電平信號是隨機變化的，因此不會(huì )出現低頻的PWM信號由于其高低電平信號緩慢變化所引起的人眼能覺(jué)察到的低頻閃爍問(wèn)題。

圖4  PWM信號與PrISM信號的頻譜圖

　　PSoC express設計與實(shí)時(shí)調試

　　PSoC express可幫助用戶(hù)簡(jiǎn)化并直觀(guān)地完成高亮LED混色應用程序的開(kāi)發(fā)和設計，在線(xiàn)調試功能。下面以賽普拉斯的EZ-Color開(kāi)發(fā)板 RGB-3261A為例描述如何用PSoC express進(jìn)行混色設計和調試。

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

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

圖5  輸出驅動(dòng)器列表

　　C. 當HBLED窗口出現時(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(jiàn)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，見(jiàn)圖7。

　　E. 設置你所選的LED型號規格參數，見(jiàn)圖8。PSoC express軟件在編譯組建時(shí)會(huì )根據用戶(hù)所設置的溫度傳感器和LED型號規格屬性參數值自動(dòng)生成所需要的溫度補償和型號規格補 償軟件。

圖8  LED型號規格參數設置表

　　F. 設置完HBLED驅動(dòng)的參數后，點(diǎn)擊OK。

　　G. 從express里的評估器(valuator)驅動(dòng)里分別選擇4個(gè)作為輸入的變量：LEDBrightness、 LEDEnable、xValuator、yValuator;從接口(interface)驅動(dòng)里選擇I2C作為L(cháng)ED混色系統與外部控制系統進(jìn)行通信的接口。

　　H. 定義輸出與輸入的傳遞函數關(guān)系：右擊“ColorMixer”輸出驅動(dòng)器圖標，然后選擇傳遞函數打開(kāi)傳遞函數對話(huà)框。在傳遞函數對話(huà)框里將作為輸入的4個(gè)變量與輸出傳遞函數的4個(gè)參數一一對應配置即可,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(xiàn)。

圖9  輸出與輸入

　　I. 編譯組建項目，生成用以燒錄的代碼。在編譯組建的過(guò)程中，PSoC express會(huì )彈出器件選擇和引腳配置圖。用戶(hù)根據自已所做的電路板進(jìn)行相應的器件選擇和引腳配置后，點(diǎn)擊OK，PSoC Express會(huì )繼續完成項目編譯組建工作。在項目構建完后，一個(gè)沒(méi)寫(xiě)任何一行代碼和基于EZ-Color控制器的高亮LED照明混色系統的設計工作就基本完成了。

　　J. 程序燒錄。在項目編譯組建結束后，連接好程序PSoC燒錄器和點(diǎn)擊“PSoC programmer”就可以開(kāi)始進(jìn)行程序K. 在線(xiàn)實(shí)時(shí)調試。PSoC express不但可以幫助用戶(hù)進(jìn)行直觀(guān)式圖形化設計，還支持在線(xiàn)實(shí)時(shí)調試功能，使得用戶(hù)可以實(shí)時(shí)輸入顏色請求信息，實(shí)時(shí)觀(guān)察LED混色效果，從而確保LED混色結果達到客戶(hù)滿(mǎn)意的效果。下面以本設計為例，簡(jiǎn)要描述一下如何輕松實(shí)現在線(xiàn)實(shí)時(shí)調試功能。第一步，連接好PSoC express在線(xiàn)實(shí)時(shí)調試硬件——I2USB板;第二步，從PSoC express設計區點(diǎn)擊 “monitor”，進(jìn)入調試窗口，然后點(diǎn)擊I2USB板運行按鍵“ Running”;第三步，右擊輸出驅動(dòng)器“ColorMixer”，選中“show tuner”，然后EZ-Color調試窗口打開(kāi)，見(jiàn)圖10.這時(shí)候用戶(hù)可以在色度圖中點(diǎn)擊所需要的顏色實(shí)時(shí)觀(guān)看混色效果了，實(shí)現在線(xiàn)調試功能。

圖10  EZ-Color在線(xiàn)實(shí)時(shí)調試窗口                                                                                        

　　結語(yǔ)

　　該方案設計簡(jiǎn)單，易于應用，性能優(yōu)良，可廣泛應用于城市照明，室內室外裝飾，信號燈，舞臺燈和LED廣告屏等領(lǐng)域，實(shí)現精確穩定一致的色彩輸出。