一款基于XMC1200的LED智能调光设计

【导读】英飞凌新一代XMC1200系列MCU将Cortex-M0内核与尖端的65nm制程技术结合在一起，内建了亮度与色彩控制单元，可以对LED的进行智慧调光，实现亮度的指数调节，色彩的线性调节，同时可以避免低频时候产生的闪烁现象，有效的保护人眼。

目前广泛使用的LED调光方式主要为模拟的恒流控制方法和PWM控制，存在控制复杂、功能单一、且容易产生闪烁的缺点。针对上述挑战，英飞凌公司推出了新一代XMC1200系列MCU。它将ARM Cortex-M0内核与尖端的65nm制程技术结合在一起，克服了8位设计的限制，使当前的8位用户有机会享受32位性能，而无需在价格或易用性方 面付出代价。XMC1200的FLASH容量从16KB- 200KB不等，16K SRAM，内核主频32M Hz，12bit ADC。特别的，XMC1200内建了亮度与色彩控制单元(BCCU)，专门针对LED智能调光应用。

图 1 XMC1200系列MCU资源

基于XMC1200 BCCU的智能调光方案

XMC1200内建的亮度与色彩控制单元(BCCU)可以实现对LED亮度和色彩的全数字控制，可实现以下关键特性：

1) 自动消除低频闪烁

2) 自动色彩变化控制

3) 智慧的柔和调光控制

方案优势:

XMC1200作为单芯片解决方案，可以节省大量的CPU开销，大幅降低软件开发的时间，有效的减少人为导致的软件错误风险。同时XMC1200系列MCU具有高性能、大容量，高可靠性的特点，可以把智慧调光广泛的应用于生活、工业的各个方面。

第一页：XMC1200 BCCU的智能调光方案

第二页：RGB LED调光的电路图

第三页：线性调光器和Sigma Delta调制器

第四页：闪烁看门狗/打包器

图2为利用XMC1200实现1组RGB LED调光的电路图。

从上图可以看出，在XMC1200的BCCU中，主要引入了以下模块：

1) 指数型调光引擎

人眼对于光强的感知实际是对光振动的振幅的感知，而光的强度和振幅的平方成正比，这就导致人眼对光强的线性变化无法做出线性的感知，而是会产生近似对数的关系。为此，如果需要让人眼感知到线性的变化，则需要让光强按照指数型改变。

为了解决这种难题，BCCU创新的增加了指数型调光模块，使得光强可以自动的按照指数规律变化，从而达到对人眼的感知的线性变化，从而达到柔和调光的效果。指数型调光的模块和原理如图3。

代码实现

{

// 指数型调光引擎0,终值0xABC写入影子寄存器

WR_REG((BCCU0->DL0,BCCU_DL0_DLEV_Msk,BCCU_DL0_DLEV_Pos,0xABC);

// 调整指数型调光变化速率为0xCBA

WR_REG((BCCU0->DTT0,BCCU_DTT0_DIMDIV_Msk,BCCU_DTT0_DIMDIV_Pos,0xCBA);

// 指数型调光引擎0,终值写入

SET_BIT(BCCU0->DESTRCON,BCCU_DESTRCON_DE0S_Pos);

// 打开BCCU指数型调光引擎0

SET_BIT(BCCU0->DEEN,BCCU_DEEN_EDE0_Pos);

｝

第一页：XMC1200 BCCU的智能调光方案

第二页：RGB LED调光的电路图

第三页：线性调光器和Sigma Delta调制器

第四页：闪烁看门狗/打包器

2) 线性调光器

BCCU 中引入了线性调光器，特性可以根据亮度目标值和变化时长，生成线性变化的亮度输出，从而达到线性调整色彩的目的。改特性在RGB三色调光方面有特别的优 势，若设定RGB三通道变化时长一致，则可以达到同步进行三色调节的目的，轻松的实现三色混合。在图4中，RGB三色同一时刻开始变化，并在同一时刻达到 变化终点，它们的合成颜色在三色空间中表现为一条直线。

代码实现

{

// 设置BCCU信道0的线性调光速率为0xCBA

WR_REG(BCCU0->INTS0,BCCU_CHCONFIG0_LINPRES_Msk,BCCU_CHCONFIG0_LINPRES_Pos，0xCBA);

// 设置调光终点为0xABC,写入影子寄存器

WR_REG(BCCU0->INTS0,BCCU_INTS0_TCHINT_Msk,BCCU_INTS0_TCHINT_Pos，0xABC);

// 线性调光终值写入

SET_BIT(BCCU0->CHSTRCON,BCCU_CHSTRCON_CH0S);

｝

3) Sigma Delta调制器

通过开关LED，能够使得LED发出一定的光亮，若切换速度足够快，则人眼将感知不到LED的开关，达到连续发光的目的，而LED的亮度则取决于开通的平均时间。

BCCU中内置了Sigma Delta调制器，用于将亮度数值变换为比特流，产生快速开关的脉冲密度调制信号(PDM)，通过这个信号来控制LED的开关。

大家比较熟知的开关信号有PWM，PDM和PWM的区别可以参考图5，在相同的较长时长内，PDM和PWM信号有相同的开通时间，但PWM表现为周期恒定，脉宽变化，但PDM则表现为周期不恒定，但脉宽相同。

相比来说BCCU中提供的PDM具有较高的频率，可以达到较高的分辨率，EMI特性更好，同时因频率较高，更不易产生低频闪烁。

第一页：XMC1200 BCCU的智能调光方案

第二页：RGB LED调光的电路图

第三页：线性调光器和Sigma Delta调制器

第四页：闪烁看门狗/打包器

4) 闪烁看门狗/打包器

研究报告指出，人眼感官能够感知的变化为45.8HZ以内，低于这个频率闪烁，会引起人眼的不适，高于这个频率的闪烁，虽然不会被人眼感知到，但是仍旧会对人体产生神经性的影响，比如流行的护眼灯，频率都在100Hz以上，这样才能保证对人体影响较小。

在BCCU中，提供了一个自动的低频看门狗特性，通过提前设定好信号间的间隔时间，若间隔时间过大，则看门狗会自动加入开通信号，保证开关频率不低于设定的最小值，从而从原理上消除了低频闪烁的产生。闪烁看门狗原理如图6

在LED的驱动中，需要保证最小开通时间，即在最短的一段时间内，需要保持开通信号恒定。BCCU中提供了一个打包器用于完成这一功能。

看门狗配合打包器使用，就可以既保证了最小开通时间，同时又能保证不产生低频闪烁。

代码实现

{

// 设定闪速看门狗的门限为0xABC

WR_REG(BCCU0->GLOBCON,BCCU_GLOBCON_WDMBN_Msk,BCCU_GLOBCON_WDMBN_Pos,0xABC);

// 打开BCCU通道0的闪烁看门狗

SET_BIT(BCCU0->CHCONFIG0,BCCU_CHCONFIG0_WEN_Pos);

// 设定BCCU通道0的打包器门坎为0xA

WR_REG(BCCU0->CHCONFIG0,BCCU_CHCONFIG0_PKTH_Msk,BCCU_CHCONFIG0_PKTH_Pos，0xA);

// 打开BCCU通道0的打包器

SET_BIT(BCCU0->CHCONFIG0,BCCU_CHCONFIG0_PEN_Pos);

｝

总结

综上所述，通过使用内建BCCU单元的XMC1200系列MCU，可以对LED的进行智慧调光，实现亮度的指数调节，色彩的线性调节，同时可以避免低频时候产生的闪烁现象，有效的保护人眼。

XMC1200作为上述特性的单芯片解决方案，可以节省大量的CPU开销，大幅降低软件开发的时间，有效的减少人为导致的软件错误风险。同时XMC1200系列MCU具有高性能、大容量，高可靠性的特点，可以把智慧调光广泛的应用于生活、工业的各个方面。