背光自动控制模块

摘要：本文主要讲述采用集成环境光传感器控制显示屏背光亮度的应用。系统根据环境光强度实行动态的背光控制，降低功耗。让显示屏亮度根据环境光条件自行调整到最佳状态，改善用户体验。同时也能手动调节背光亮度。

前言

　　一个完整的液晶背光控制系统包括二部分：(1)背光自动控制模块;(2)LED驱动器。其中背光自动控制模块有光传感器和数据处理装置(通常是微控制器)组成。系统框图如图1所示。

　　现在绝大部分CCFL背光的液晶屏都已经停产，各液晶屏生产商都已经采用WLED背光，并且有的已经将LED驱动器集成到液晶屏。本文介绍背光自动控制模块。

1 模块组成设计

　　背光自动控制模块(以下简称为控制模块)的基本组成结构设计如图2所示，主要包括控制模块硬件和上位机控制软件。硬件模块由单片机、光强传感器、电源转换芯片组成;上位机软件是由VB编写的一个USB通信控制软件。

　　为了更有效地实现系统，在系统组成的基础上，对系统的功能进行规划分析。

1.1 光强传感器

　　光强传感器是关键的组成部分，它负责向微处理器提供环境光强信息。

1.2 微处理器

　　微处理器是核心部分，负责数据处理，它有以下几个功能：

　　负责读取光传感器的环境光强数据，并将这些信息处理转换成脉冲信号控制液晶屏的背光驱动器，进而完成背光亮度的控制;

　　解析USB上位机发送过来的指令完成相关操作。

1.3 电源芯片

　　通过USB取电，将+5V转换成模块的工作电压。

1.4 上位机软件

　　基于USB-HID对硬件模块控制指令，并接收硬件模块的反馈信息。

2 硬件设计

　　硬件电路原理图如图3所示，主要由光强传感器、微处理器、电源电路等组成。考虑到显示器的空间限制，在保证功能的前提下优先考虑小封装的元器件。

2.1 光强传感器

　　选用Maxim公司的MAX4009集成环境光强传感器，将所有信号调节和AD转换器集成在一个封装内，有效节省电路板面积;低功耗(ICC=0.65μA);传感器的光谱灵敏度需要与人眼接近;采用I²C通信协议;可设置上、下限阀值中断使其与微控制器的连接方式更简单，数据传输速度更快。

2.2 微控制器

　　选用ST公司的STM32F103T8U6单片机，QFN36封装;内部集成IIC以及USB控制器;通过USB口与外部通信;IIC配合外部中断与光强传感器通信;TIM3输出PWM控制信号;TIM2为通用定时器。

2.3 电源芯片

　　电源芯片选用ASM1117-3.3，U_in=4.75V～12V;U_out=3.3V;I_out[max]=1A;满足要求。

3 软件设计

　　对系统设计的功能要求进行深入分析，将软件设计分为三部分：通信协议、单片机程序和上位机软件。

3.1 通信协议

　　通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定，是确保数据顺利地、正确地传送的基础。本设计中只是小数据量的有线通信，所以只是建立了一个简单的通信协议。具体如下：

　　命令格式：FF WW XX YY CC(5个字节的16进制数)。

　　第1位为协议头，固定为FF。

　　第2位WW为指令类型：50是自动模式指令;05是手动模式指令。

　　第3、4位XX和YY在自动和手动模式下代表不同的意义：

　　自动模式下：XX、YY分别为光传感器的高字节流明寄存器和低字节流明寄存器的数据。

　　手动模式下：XX是背光亮度的百分比值，范围1~100。

　　第5位为结束标识符，固定为CC。

3.2 单片机程序

　　单片机程序流程如图4左部分所示。系统上电之后，先会对单片机进行初始化，然后判断上位机是否通过USB发送控制指令过来，接着判断是自动控制指令还是手动控制指令，如果是自动控制指令，则读取当前环境光强度，并设置上、下限门限，接着把光强度变换成背光亮度的百分比，最后调用PWM滑动调节控制背光;如果是手动控制命令，则读取上位机发送过来的背光亮度的百分比，调用PWM滑动调节控制背光。

3.2.1 MAX44009通信控制

　　STM32F103通过I²C与MAX44009进行通信。通过设置上、下限阀值，在光线强度偏离设定范围一定时间后，产生中断通知微处理器读取光强度，进行背光亮度调节，并设置新的上、下限门限。本设计中上、下限阀值范围为当前光强度的±10%。

　　(1)读取流明

　　流明寄存器包含高、低字节流明寄存器。高字节流明寄存器0x03包括4位指数位E3:E0和尾数字节的4个最高有效位M7:M4，表示环境光强的流明数。尾数字节的其余4位M3:M0位于低字节流明寄存器0x04。如表1所示。用户可以选择只读高字节流明寄存器或者连续读高、低字节流明2个寄存器来得到流明数。

　　只读高字节流明寄存器换算公式：

　　Lux=2^{(8×E3+4×E2+2×E1+E0)×(}8×M7+4×M6+2×M5+M4)×0.72

　　读高、低字节流明寄存器换算公式：

　　Lux=2^{(8×E3+4×E2+2×E1+E0)}×(128×M7+64×M6+32×M5+16M4+8×M3+4×M2+2×M1+M0)×0.045

　　本设计中为了增强IC的流明读数分辨率，所以选择连续读取高、低字节流明寄存器。值得注意的是，为了确保内部ADC和I²C寄存器之间正确传输数据，在I²C读操作期间，芯片内部禁止高字节流明寄存器和低字节流明寄存器的更新，只有主机发送STOP^[1]命令时，才恢复I²C寄存器更新。所以在连续读取2个字节流明寄存器时，读完高字节寄存器后不能发送STOP信号，必须在读完的字节低字节寄存器后才能发送STOP。

　　(2)环境光强如何映射到背光亮度

　　本设计中采用的一种映射方式是Microsoft®针对运行Windows® 7^[2]操作系统计算机提出的。如图5所示曲线，它可以将环境光强度映射到显示屏亮度(以全部亮度的百分比表示)。

　　这个特性曲线可以用以下函数表示：

(1)