一款利用小型MCU以實現(xiàn)LED照明的色彩控制

LED用于通用照明已指日可待。LED在通用照明系統(tǒng)中優(yōu)勢很多，如壽命更長以及效率更高。然而， LED技術還面臨著一些挑戰(zhàn)。其中一個挑戰(zhàn)就是如何產(chǎn)生高品質的白光。白光LED的構成包含了藍光LED和能將光輸出移至光譜的其他波段的一種熒光粉。許多白光LED都無法產(chǎn)生高顯色指數(shù)(Color Rendering Index，CRI)，該參數(shù)用于衡量光源真實重現(xiàn)色彩的能力。 　　通過混合兩種或兩種以上顏色的LED光，可以獲得品質更高的白光系統(tǒng)。在這些多色系統(tǒng)中，每種色源的光輸出會隨時間和溫度而漂移。光傳感器和小型單片機 (MCU)可用于維持特定顏色和相關色溫(Correlated Color Temperature，CCT)。在本文中，我們將進一步了解傳感器、所需MCU資源和軟件。 　　目前市場上有許多經(jīng)濟實惠的小型光傳感器，它們可以向MCU提供用于處理的信息。典型地，傳感器具有一些可選的顏色過濾器，用于測量紅光、綠光、藍光或白光(無過濾器)。光傳感器輸出接口可通過一系列的方法與MCU連接。光轉電壓傳感器通過輸出電壓與模數(shù)轉換器(ADC)相連。 　　光轉頻率傳感器提供變頻輸出，輸出頻率與光的量成正比。這些傳感器的脈沖輸出可以在MCU定時器中進行累加，以確定光照級別。光轉數(shù)字傳感器通常具有串行數(shù)字接口，例如I2C。每種類型的傳感器接口都具有獨特的優(yōu)點，且需要不同的MCU資源。圖1所示的系統(tǒng)框圖給出了多種MCU外設，它們在顏色可調的LED照明設計中非常有用。 　　在完整的閉環(huán)色彩控制系統(tǒng)中，MCU必須讀取來自光傳感器的顏色成分，校準光傳感器輸出，并通過調節(jié)各個LED驅動器的輸出獲得想要的顏色。LED需要使用恒流驅動器來維持光輸出的一致性。這可以使用各種驅動器技術實現(xiàn)，這些技術包括線性和開關模式解決方案。最終的選擇取決于諸如效率要求、輸入電壓范圍和所用LED數(shù)量等因素。 　　驅動器輸出可以使用不同的方法來控制。首先，MCU可以通過數(shù)模轉換器(DAC)或數(shù)字電位計來產(chǎn)生模擬參考電壓。參考電壓可以使驅動器輸出在零至最大電流之間變化。MCU還可以提供用于調制驅動器輸出的PWM信號。PWM信號可用于使能/禁止驅動器本身，或者用于控制將LED與驅動器輸出斷開的開關。如果使用PWM控制，則選擇的PWM頻率要足夠高，這樣人眼才能察覺不到任何閃爍。 　　設計人員必須確定色彩控制系統(tǒng)要求的控制分辨率需要達到何種程度，以便選擇具備相應外設的MCU。對于光轉電壓傳感器，MCU上ADC的測量分辨率很重要。光轉頻率傳感器需要一個通過外部時鐘實現(xiàn)遞增的MCU時基。光轉數(shù)字傳感器需要相應的串行通信接口外設。 　　帶多個PWM外設的MCU可用于控制各個LED驅動器。在高分辨率色彩控制系統(tǒng)中，首選具有16位或更高控制分辨率的PWM外設。串行通信外設(如UART、SPI、I2C、LIN和USB等)支持輸入/輸出控制和顯示功能。 　　對色彩控制系統(tǒng)來說，PIC24FJ16GA002(見圖2)之類的MCU器件是上佳之選。PIC24器件具有28引腳的小尺寸封裝，程序存儲器范圍為 16至64 KB，并且在單個器件中提供了串行通信接口、10位ADC和5個PWM通道。16位MCU內核可以輕松地處理與傳感器校準和色彩控制有關的算術運算。 　　傳感器數(shù)據(jù)輸出必須根據(jù)參考電壓進行校準，以提供一致的結果。校準過程使用色度計來將不同顏色LED的輸出與光譜響應和光傳感器的靈敏度在標準色度坐標系中進行數(shù)學關聯(lián)。校準過程會生成一個系數(shù)矩陣，它必須隨照明系統(tǒng)存儲在非易失性存儲器中，并在控制系統(tǒng)的每次控制中用于確定關聯(lián)和所需輸出之間的差。 　　完成校準后，MCU可以將傳感器數(shù)據(jù)與理想的CIE(國際照明委員會)色度圖坐標進行比較，并對輸出通道進行調節(jié)，直到得到理想的CCT為止。每個輸出通道的PID控制算法會使用校準值調節(jié)傳感器數(shù)據(jù)，求得與目標設置點的差，然后調節(jié)輸出通道。為了減小誤差，PID會不斷運行，直到輸出CCT與設置點 CCT匹配為止。PID系數(shù)可以進行微調，以最大程度優(yōu)化系統(tǒng)響應，但PID算法收斂至目標CCT的快慢也是MCU處理算術運算效率的函數(shù)。 　　一些色彩控制系統(tǒng)可能需要比其他系統(tǒng)更快的處理速度和響應速度。例如，通用照明系統(tǒng)的要求要比HDTV面板的局部調光系統(tǒng)低。 　　光源可調或具有高CRI的系統(tǒng)有一系列的用戶控制要求。帶圖形LCD顯示屏的醫(yī)療設備可能具有可調的LED背光(它要求MCU通過SPI與LCD進行通信)，以及用于調節(jié)CCT和亮度的觸摸屏界面。商用顯示設備的通用照明可能要求通過中央面板或計算機進行控制，以根據(jù)一天中的各個時段自動調節(jié)亮度、 CCT和開/關。 　　這些設備之間的通信可以使用硬連線串行總線協(xié)議(例如DALI或DMX512)實現(xiàn)，而其他一些設備可能需要使用通過USB或以太網(wǎng)實現(xiàn)的自定義接口。在已竣工的建筑物中，安裝硬連線基礎結構可能不行，需要通過無線通信和協(xié)議(例如ZigBee)進行控制。對于此類照明應用，帶有靈活外設的MCU是實現(xiàn)通信和用戶界面的理想之選。 　　蠟燭、煤油燈和白熾燈等光源技術取代了它們之前的技術，進而提高了人們的生活質量。采用LED作為光源已指日可待，預計它會比其他所有的光源技術更好地豐富我們的生活。LED具有能效高、尺寸小、便攜、耐用和壽命長等優(yōu)點。 　　采用小型MCU進行控制的多色LED可以調節(jié)光輸出，提供適合照明空間的舒適光照。 MCU可以智能地控制驅動器電路(使能效最大)、監(jiān)視一些情況，以及最大程度提高能效和平均壽命。MCU色彩控制LED照明系統(tǒng)將使人們能夠用不同的眼“光”看世界。