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基于小型MCU的LED照明的色彩控制方案

作者:时间:2013-12-16来源:网络收藏

在大趋势下,LED用于通用照明指日可待。LED在通用照明中优势很多,如寿命更长以及效率更高。然而, LED技术还面临着一些挑战。其中一个挑战就是如何产生高品质的白光。白光LED的构成包含了蓝光LED和能将光输出移至光谱的其他波段的一种荧光粉。许多白光LED都无法产生高显色指数(Color Rendering Index,CRI),该参数用于衡量光源真实重现色彩的能力。

  通过混合两种或两种以上颜色的LED光,可以获得品质更高的白光系统。在这些多色系统中,每种色源的光输出会随时间和温度而漂移。光传感器和小型单片机 ()可用于维持特定颜色和相关色温(CorrELated Color Temperature,CCT)。在本文中,我们将进一步了解传感器、所需资源和软件。

  基于小型MCU的LED照明的色彩控制方案

  目前市场上有许多经济实惠的小型光传感器,它们可以向提供用于处理的信息。典型地,传感器具有一些可选的颜色过滤器,用于测量红光、绿光、蓝光或白光 (无过滤器)。光传感器输出接口可通过一系列的方法与MCU连接。光转电压传感器通过输出电压与模数转换器(ADC)相连。光转频率传感器提供变频输出, 输出频率与光的量成正比。这些传感器的脉冲输出可以在MCU定时器中进行累加,以确定光照级别。光转数字传感器通常具有串行数字接口,例如I2C。每种类 型的传感器接口都具有独特的优点,且需要不同的MCU资源。图1所示的系统框图给出了多种MCU外设,它们在颜色可调的设计中非常有用。

  在完整的闭环系统中,MCU必须读取来自光传感器的颜色成分,校准光传感器输出,并通过调节各个LED驱动器的输出获得想要的颜色。LED需要使用恒流驱动器来维持光输 出的一致性。这可以使用各种驱动器技术实现,这些技术包括线性和开关模式解决方案。最终的选择取决于诸如效率要求、输入电压范围和所用LED数量等因素。

  驱动器输出可以使用不同的方法来控制。首先,MCU可以通过数模转换器(DAC)或数字电位计来产生模拟参考电压。参考电压可以使驱动器输出在零至最大电流 之间变化。MCU还可以提供用于调制驱动器输出的PWM信号。PWM信号可用于使能/禁止驱动器本身,或者用于控制将LED与驱动器输出断开的开关。如果 使用PWM控制,则选择的PWM频率要足够高,这样人眼才能察觉不到任何闪烁。

  设计人员必须确定系统要求的控制分辨率需要达到何种程度,以便选择具备相应外设的MCU。对于光转电压传感器,MCU上ADC的测量分辨率很重要。光转频率传感器需要一个通过外部时钟实现递增的MCU时基。光转数字传感器需要相应的串行通信接口外设。

  带多个PWM外设的MCU可用于控制各个LED驱动器。在高分辨率系统中,首选具有16位或更高控制分辨率的PWM外设。串行通信外设(如UART、SPI、I2C、LIN和USB等)支持输入/输出控制和显示功能。

  对色彩控制系统来说,PIC24FJ16GA002(见图2)之类的MCU器件是上佳之选。PIC24器件具有28引脚的小尺寸封装,程序存储器范围为 16 至64 KB,并且在单个器件中提供了串行通信接口、10位ADC和5个PWM通道。16位MCU内核可以轻松地处理与传感器校准和色彩控制有关的算术运算。

  传感器数据输出必须根据参考电压进行校准,以提供一致的结果。校准过程使用色度计来将不同颜色LED的输出与光谱响应和光传感器的灵敏度在标准色度坐标系中 进行数学关联。校准过程会生成一个系数矩阵,它必须随照明系统存储在非易失性存储器中,并在控制系统的每次控制中用于确定关联和所需输出之间的差。

  基于小型MCU的LED照明的色彩控制方案

  完成校准后,MCU可以将传感器数据与理想的CIE(国际照明委员会)色度图坐标进行比较,并对输出通道进行调节,直到得到理想的CCT为止。每个输出通道 的PID控制算法会使用校准值调节传感器数据,求得与目标设置点的差,然后调节输出通道。为了减小误差,PID会不断运行,直到输出CCT与设置点CCT 匹配为止。PID系数可以进行微调,以最大程度优化系统响应,但PID算法收敛至目标CCT的快慢也是MCU处理算术运算效率的函数。一些色彩控制系统可 能需要比其他系统更快的处理速度和响应速度。例如,通用照明系统的要求要比HDTV面板的局部调光系统低。


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关键词: MCU LED照明 色彩控制

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