混合與數(shù)學(xué)：一種使用Bluetooth?低功耗通信實(shí)現(xiàn)RGBA混色的方法

作者 / Swathi Sridhar Namrata Dalvi Microchip Technology Inc.資深應(yīng)用工程師

摘要：本文說(shuō)明了如何使用16位PWM精確控制每個(gè)LED亮度。它還使用Bluetooth 4.1低功耗模塊來(lái)進(jìn)行通信，因此用戶(hù)可向RGBA板發(fā)送PWM值以輸出所需顏色。

　　使用8位單片機(jī)和Bluetooth? 4.1低功耗模塊來(lái)控制紅色、綠色、藍(lán)色和alpha(RGBA)顏色空間，從而以無(wú)線(xiàn)方式精確控制發(fā)光二極管(LED)的顏色平衡。

　　圖1給出的演示板有四個(gè)LED——分別為紅色、綠色、藍(lán)色和琥珀色。通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)占空比控制各個(gè)LED的亮度。

　　這可以通過(guò)Microchip的PIC16F1579單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該單片機(jī)具有四個(gè)用于驅(qū)動(dòng)LED的16位PWM。這些16位PWM可精確控制各色LED的強(qiáng)度，還能通過(guò)混合不同亮度的RGBA呈現(xiàn)不同的顏色。

　　使用mTouch?電容式觸摸傳感技術(shù)可操作兩個(gè)電容式觸摸滑動(dòng)條。板上RN4020藍(lán)牙模塊用于通過(guò)Bluetooth低功耗通信從Android?移動(dòng)應(yīng)用程序或桌面程序接收PWM值。演示板通過(guò)1.5V AAA電池供電。

1 照明

　　LED產(chǎn)生的光會(huì)因多種因素發(fā)生變化。不同類(lèi)型的LED以及相同類(lèi)型的各個(gè)LED的亮度(以流明為單位測(cè)得)都有所不同。對(duì)于彩色LED，根據(jù)色度值測(cè)得的特定顏色因LED而異。

　　我們對(duì)少量特定品牌LED的樣本進(jìn)行了測(cè)量以開(kāi)發(fā)亮度和色度配置文件。隨后會(huì)在硬件設(shè)計(jì)和軟件色度計(jì)算中將這些值用作典型值。此過(guò)程稱(chēng)為顏色調(diào)節(jié)。

　　每種顏色的電阻值是固定的，以便產(chǎn)生相同的流明數(shù)。各個(gè)LED串聯(lián)電阻的阻值如下：紅色820Ω、藍(lán)色400Ω、綠色500Ω以及琥珀色500Ω。

2 工作模式

　　有兩種工作模式：第一種是色相飽和度值加白色(HSVW)和亮度滑動(dòng)條模式;第二種是使用藍(lán)牙低功耗的色度選擇器模式。

　　電路板在模式1下初次上電。電路板上有兩個(gè)電容式觸摸滑動(dòng)條：一個(gè)用于輸入顏色，另一個(gè)用于控制亮度。

　　如果在滑動(dòng)條模式下觸摸第一個(gè)滑動(dòng)條，則滑動(dòng)條上選擇的顏色將在LED上輸出。在接收到另一個(gè)輸入之前，將一直顯示所選顏色?？梢允褂昧硪粋€(gè)滑動(dòng)條控制特定顏色的亮度。

　　對(duì)于第二種模式，使用基于Android的移動(dòng)應(yīng)用程序或基于Windows的桌面應(yīng)用程序選擇顏色值(PWM)。然后通過(guò)藍(lán)牙連接將相應(yīng)的PWM值發(fā)送到電路板。應(yīng)用程序使用CIE 1931 XY色度圖，請(qǐng)參見(jiàn)圖2。將計(jì)算所選顏色和亮度的精確PWM值，并通過(guò)藍(lán)牙連接發(fā)送到RGBA板。電路板上的藍(lán)牙模塊隨后會(huì)接收PWM值，RGBA板固件將使用這些值來(lái)顯示所選顏色。

　　色度選擇器應(yīng)用程序GUI包含CIE 1931 xy色度圖。CIE 1931顏色空間按色度(x)和亮度(y)顯示各種顏色。映射到CIE顏色空間的紅色、綠色和藍(lán)色LED的顏色和亮度定義了一個(gè)三角形，此三角形內(nèi)包含了三個(gè)器件的輸出可產(chǎn)生的所有可能的顏色明暗;此三角形稱(chēng)為色域。

　　為獲得更寬的顏色范圍，添加了一個(gè)琥珀色LED。琥珀色LED的xy數(shù)據(jù)被映射到CIE 1931 xy顏色空間。這在紅色、琥珀色和綠色坐標(biāo)之間定義了另一個(gè)三角形。如果按照不同的比例混合紅色、琥珀色和綠色，我們將獲得圖2中的色域內(nèi)的顏色。

　　在該模式下使用的PC GUI和Android應(yīng)用程序通過(guò)實(shí)現(xiàn)此混色算法來(lái)計(jì)算產(chǎn)生選定顏色所需的PWM占空比值。

　　色度選擇器應(yīng)用程序通過(guò)藍(lán)牙連接發(fā)送PWM值。此連接模塊將能夠與包含Bluetooth v4.0(及更高版本)收發(fā)器的手機(jī)和PC進(jìn)行通信。此模塊主要用于從運(yùn)行色度選擇器應(yīng)用程序的主設(shè)備接收占空比值。單片機(jī)和BLE模塊之間的引腳連接配置如圖3所示。

3 藍(lán)牙通信

　　有兩種類(lèi)型的藍(lán)牙設(shè)備——藍(lán)牙經(jīng)典和藍(lán)牙低功耗。藍(lán)牙低功耗設(shè)備只能與另一個(gè)BLE設(shè)備或同時(shí)具備藍(lán)牙經(jīng)典和藍(lán)牙低功耗功能的藍(lán)牙雙模設(shè)備進(jìn)行通信。因此，為了能夠與RGBA板上使用的RN4020模塊進(jìn)行通信，主機(jī)設(shè)備必須是BLE或藍(lán)牙雙模設(shè)備。

　　該模塊符合藍(lán)牙核心規(guī)范v4.1并由用戶(hù)通過(guò)輸入/輸出線(xiàn)和UART接口控制。UART支持ASCII命令，可針對(duì)基于應(yīng)用的任何要求控制或配置模塊。

4 應(yīng)用軟件

　　電路板工作在模式2下時(shí)，所需LED顏色從來(lái)自RGBA混色桌面應(yīng)用程序或RGBA混色Android應(yīng)用程序的色度選擇器應(yīng)用程序內(nèi)的色度圖中選擇。紅色、藍(lán)色、綠色和琥珀色PWM占空比通過(guò)應(yīng)用程序計(jì)算。占空比值通過(guò)藍(lán)牙低功耗連接傳送給電路板。使用的桌面應(yīng)用程序是使用Visual Studio C#.NET開(kāi)發(fā)的。應(yīng)用程序遵循MVC原則，具有以下幾類(lèi)：

　　RGBA視圖控制器類(lèi)用作GUI或視圖管理器，也可用作應(yīng)用程序的控制器。該類(lèi)位于層級(jí)頂部，負(fù)責(zé)編譯各類(lèi)新對(duì)象和執(zhí)行依賴(lài)注入。此外，它還處理所有GUI事件并調(diào)用相應(yīng)的方法。

　　RGBA計(jì)算類(lèi)負(fù)責(zé)確定選定點(diǎn)處于RGB或RGA三角形的內(nèi)部還是外部，并為所有LED計(jì)算每種顏色的占空比。

　　矩陣3x3類(lèi)實(shí)現(xiàn)了所有3x3矩陣的數(shù)學(xué)運(yùn)算，例如逆矩陣、行列式、轉(zhuǎn)置、余因子和乘法。向量3類(lèi)實(shí)現(xiàn)了大小為3的列向量，該列向量用于矩陣3x3類(lèi)的矩陣數(shù)學(xué)運(yùn)算。RGBA數(shù)據(jù)類(lèi)為自定義數(shù)據(jù)類(lèi)型，用于存儲(chǔ)所有顏色的占空比值。

　　在無(wú)線(xiàn)通信包裝類(lèi)中，該接口包含無(wú)線(xiàn)通信要實(shí)現(xiàn)RGBA應(yīng)用所需的全部方法。任何無(wú)線(xiàn)通信方法(例如藍(lán)牙低功耗和藍(lán)牙經(jīng)典等)都可以使用該接口。為RGBA板實(shí)現(xiàn)該接口后，使用RN4020 PICtail?卡通過(guò)RS232通信即可完成藍(lán)牙低功耗通信。

　　編程人員可通過(guò)Visual Studio中的內(nèi)置藍(lán)牙低功耗庫(kù)或第三方庫(kù)編譯新類(lèi)以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信。該接口會(huì)將通信的實(shí)現(xiàn)與實(shí)際控制器分離，這樣一來(lái)，當(dāng)實(shí)現(xiàn)新的通信時(shí)，視圖控制器和其他類(lèi)不會(huì)發(fā)生變化。

　　采用RN4020器件類(lèi)的RGBA藍(lán)牙低功耗通信實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)通信包裝接口，可與RGBA板進(jìn)行藍(lán)牙低功耗通信。使用PICtailTM卡，并通過(guò)UART或RS232端口將其連接至PC。建立串行通信并發(fā)送命令以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙低功耗通信。

　　藍(lán)牙低功耗設(shè)備信息類(lèi)存儲(chǔ)有關(guān)遠(yuǎn)程連接設(shè)備的基本信息(即，名稱(chēng)、地址和支持的服務(wù)器服務(wù))。這些信息用于識(shí)別和連接遠(yuǎn)程設(shè)備。

　　在搜索結(jié)果委托類(lèi)中，該委托在結(jié)束設(shè)備搜索且設(shè)備可以列表形式供用戶(hù)選用時(shí)處理來(lái)自藍(lán)牙低功耗類(lèi)的事件。搜索操作需要十秒鐘時(shí)間。

　　在連接狀態(tài)變化委托類(lèi)中，該委托處理來(lái)自藍(lán)牙低功耗類(lèi)的事件，用于確定主PICtailTM卡是否已連接至遠(yuǎn)程設(shè)備，并為用戶(hù)顯示當(dāng)前連接狀態(tài)。

　　常量類(lèi)存儲(chǔ)應(yīng)用程序所需的所有常量，例如RN4020模塊命令和響應(yīng)、服務(wù)以及特性UUID等。Android操作系統(tǒng)的Java?應(yīng)用程序類(lèi)同樣嚴(yán)格遵循MVC原則，采用與桌面應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)類(lèi)似的Android活動(dòng)類(lèi)。但是，Android應(yīng)用程序使用Android手機(jī)的內(nèi)置藍(lán)牙低功耗硬件。Android操作系統(tǒng)通過(guò)所有必需事件和回調(diào)為藍(lán)牙低功耗通信提供所有必要的庫(kù)。RGBA視圖活動(dòng)類(lèi)與桌面上的視圖控制器類(lèi)相似，只是GUI控件在XML文件(而非類(lèi))中定義。

5 結(jié)論

　　本文章說(shuō)明了如何使用16位PWM精確控制每個(gè)LED的亮度。文中介紹的RGBA LED混色板具有電容式觸摸滑動(dòng)條按鈕，可實(shí)現(xiàn)顏色輸入和亮度控制功能。它還使用Bluetooth 4.1低功耗模塊來(lái)進(jìn)行通信，因此用戶(hù)可向RGBA板發(fā)送PWM值以輸出所需顏色。顏色在Windows桌面或Android手機(jī)上的色度選擇器應(yīng)用程序中選擇。

　　參考文獻(xiàn)：

[1]Sridhar S,Tiwari A,Dalvi N. RGBA Color Mixing with Bluetooth? Low Energy Communication[R/OL].http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00002026A.pdf

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第21頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。