基于Cypress的EZ-Color控制器的高亮LED照明混色方案

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发布于 2012-10-05 #光学设计及软件直接看回复推送文章

引言　　随着LED照明照明行业日异更新的步伐，具有寿命长，能耗低，应用灵活，环保无害等众多优点的高亮LED正在孕育一场新的产业革命—照明革命，使我们的生活与工作环境魅力四射，绚丽多彩。不过，由于LED
LED
　　LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种固态的LED照明器件，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个LED照明的晶片，当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。能完成数十种不同的工作，并且在各种设备中都能找到它们的身影。例如它们可以组成电子钟表表盘上的数字，从遥控器传输信息，为手表表盘照明并在设备开启时向您发出提示。如果将它们集结在一起，可以组成超大电视屏幕上的图像，或是用于点亮交通信号灯。
本身属于LED照明器件的特性，使得LED照明设计时需面临两大挑战——同种颜色的LED具有多种型号规格以及LED的性能随温度而降低的特性。这就要求照明工程师在进行LED照明混色设计时，必须做LED型号规格和温度补偿的考虑。LED型号规格和温度补偿算法设计不但算法复杂，而且还要求照明工程师有比较专业的色彩学理论知识。这使得很多照明设计工程师在设计生产时采用指定型号规格的LED的方法来回避复杂的LED型号规格补偿算法设计。但是这会给整个系统带来成本的增加，因为LED供应商通常会多收10%的指定费。为了帮助广大的照明设计工程师解决LED混色设计的挑战，本文介绍了一种基于赛普拉斯的EZ-Color控制器不需要指定LED型号规格，而且能快速简单完成一个性能优良的高亮LED照明混色设计方案。
　　EZ-Color控制器
　　EZ-Color控制器是Cypress生产的专门针对高亮LED照明混色应用的可编程片上系统芯片。它主要由8位微处理器，可编程模拟模块和数字模块，外加硬件乘法累加器，I2C，Flash, SRAM等周边外围模块组成，如图1所示。

　　图1：EZ-Color控制器的功能框图　　因此，EZ-Color控制器除了能实现一般LED混色系统的计算控制功能之外，还可通过可编程模拟和数字模块根据混色系统的具体要求灵活地实现所需的模拟与数字外围功能。例如，可以通过内部集成了16个可编程数字模块的EZ-Color控制器CY8CLED16实现多至16路LED控制通道的LED照明混色系统，也可以设计成32位分辨率的4路LED控制通道的照明混色系统。为了方便用户简单而快速地实现高亮LED混色设计，Cypress基于EZ-Color控制器和无代码设计软件构建了三色LED混色模块。这个混色模块将PSoC内部寄存器的配置，可编程模块的内部连线，包含LED型号规格和温度补偿算法软件都已设计好了。当用户需要设计照明混色系统，只需像windows操作一样将三色LED混色驱动选中后拖放到PSoC express的设计区里，所有的照明混色软件都将自动生成。
　　高亮LED照明混色方案的实现
　　基于PSoC express的混色方案实现机制
　　EZ-Color高亮LED照明混色设计是基于赛普拉斯的无代码图形化设计软件—PSoC express实现的。当用户要完成某个系统的设计时，只需进行简单地操作即可，第一步是输入，输出驱动的选择;第二步是定义输出与输入的行为关系或传递函数关系。EZ-Color混色方案也不例外，也是由输入，输出驱动和传递函数关系构成，如图2所示。

　　图2：EZ-Color方案实现机制图　　从上面的实现机制图可以看到，EZ-Color的LED混色方案是采用(x,y,Y)表示输入，输出是RGB三色LED，其中三色LED 的硬件驱动采用了SSDM(随机信号强度调制)用户模块。输入的(x,y,Y)是按照CIE 1931色度图的表征方法来表示EZ-Color的颜色输入请求信息，即x,y代表色调和色饱和度，反映颜色的色度信息，而Y代表光通量，反映颜色的亮度信息。SSDM用户模块是赛普拉斯的PrISM(精确照信号强度调制)技术的硬件实现。PrISM技术是赛普拉斯专有的LED亮度调节技术，它可有效地解决电磁干扰和低频闪烁问题。
　　PrISM技术
　　传统的LED亮度控制都是用脉冲宽度调制信号(PWM信号)来实现的，通过改变占宽比来实现亮度调节的。这种亮度调节方法简单，但是由于PWM信号是高低电平固定变化的信号，因此它的谐波成份非常丰富，电磁干扰大。同时当用低频的PWM信号进行亮度控制时，人眼会觉察到灯光在闪烁。
　　EZ-Color方案的亮度控制采用了Cypress的专有的PrISM技术。相比于PWM控制方法它可有效地解决电磁干扰与低频闪烁问题。如图3所示，PrISM技术通过将随机计数器
计数器
　　计数器是一种具有多种测量功能、多种用途的电子计数器。它可以测量频率、周期、时间间隔、频率比、累加计数、计时等；配上相应的插件，还可以测量相位、电压等。一般我们把凡具有测频和测周两种以上功能的计数器都归类为通用计数器。
与用户所要求的信号强度寄存器的值进行比较，如果随机计数器里的值小于信号强度值时，就输出高电平信号，大的时候就输出低电平，从而产生高低电平宽度随机变化的精确照明脉冲信号。

　　图3：PrISM技术实现框图　　高低电平宽度随机变化的精确照明信号使得强度脉冲信号非周期性。脉冲信号的非周期性的直接好处是信号的频谱连续而且幅度小，如图4所示。同时,PrISM高低电平信号是随机变化的，因此不会出现低频的PWM信号由于其高低电平信号缓慢变化所引起的人眼能觉察到的低频闪烁问题。

　　图4：PWM信号与PrISM信号的频谱图　　PSoC express设计与实时调试
　　PSoC express可帮助用户简化并直观地完成高亮LED混色应用程序的开发和设计，在线调试功能。下面以赛普拉斯的EZ-Color开发板
开发板
　　开发板是基于单片机来进行系统开发的电路板，通常是由开发者根据具体需要来定制或者设计的。开发板是一套硬件系统，包括了CPU、存储器、输入设备、输出设备、数据通路和外部资源接口等。
RGB-3261A为例描述如何用PSoC express进行混色设计和调试。
　　A. 打开PSoC express软件，创建并命名一个新的工程项目。
　　B. 从“输出驱动器”列表中的High Brightness LED下面选择Triple Luxeon K2颜色混合驱动器，并将其拖到工作区中(见图5)。在拖到工作区释放后，PSoC express会弹出一个添加输出驱动器窗口。这个时候输入驱动器ColorMixer作为HBLED驱动名称后，点击“ok”即可。

　　图5：输出驱动器列表　　C. 当HBLED窗口出现时，可从关联的温度传感器
传感器
　　凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。
列表选择“热敏电阻
电阻
　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。