一款基于XMC1200的LED智能調(diào)光設(shè)計(jì)

【導(dǎo)讀】英飛凌新一代XMC1200系列MCU將Cortex-M0內(nèi)核與尖端的65nm制程技術(shù)結(jié)合在一起，內(nèi)建了亮度與色彩控制單元，可以對(duì)LED的進(jìn)行智慧調(diào)光，實(shí)現(xiàn)亮度的指數(shù)調(diào)節(jié)，色彩的線性調(diào)節(jié)，同時(shí)可以避免低頻時(shí)候產(chǎn)生的閃爍現(xiàn)象，有效的保護(hù)人眼。

目前廣泛使用的LED調(diào)光方式主要為模擬的恒流控制方法和PWM控制，存在控制復(fù)雜、功能單一、且容易產(chǎn)生閃爍的缺點(diǎn)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，英飛凌公司推出了新一代XMC1200系列MCU。它將ARM Cortex-M0內(nèi)核與尖端的65nm制程技術(shù)結(jié)合在一起，克服了8位設(shè)計(jì)的限制，使當(dāng)前的8位用戶有機(jī)會(huì)享受32位性能，而無(wú)需在價(jià)格或易用性方 面付出代價(jià)。XMC1200的FLASH容量從16KB- 200KB不等，16K SRAM，內(nèi)核主頻32M Hz，12bit ADC。特別的，XMC1200內(nèi)建了亮度與色彩控制單元(BCCU)，專門(mén)針對(duì)LED智能調(diào)光應(yīng)用。

圖 1 XMC1200系列MCU資源

基于XMC1200 BCCU的智能調(diào)光方案

XMC1200內(nèi)建的亮度與色彩控制單元(BCCU)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度和色彩的全數(shù)字控制，可實(shí)現(xiàn)以下關(guān)鍵特性：

1) 自動(dòng)消除低頻閃爍

2) 自動(dòng)色彩變化控制

3) 智慧的柔和調(diào)光控制

方案優(yōu)勢(shì):

XMC1200作為單芯片解決方案，可以節(jié)省大量的CPU開(kāi)銷(xiāo)，大幅降低軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間，有效的減少人為導(dǎo)致的軟件錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)XMC1200系列MCU具有高性能、大容量，高可靠性的特點(diǎn)，可以把智慧調(diào)光廣泛的應(yīng)用于生活、工業(yè)的各個(gè)方面。

第一頁(yè)：XMC1200 BCCU的智能調(diào)光方案

第二頁(yè)：RGB LED調(diào)光的電路圖

第三頁(yè)：線性調(diào)光器和Sigma Delta調(diào)制器

第四頁(yè)：閃爍看門(mén)狗/打包器

圖2為利用XMC1200實(shí)現(xiàn)1組RGB LED調(diào)光的電路圖。

從上圖可以看出，在XMC1200的BCCU中，主要引入了以下模塊：

1) 指數(shù)型調(diào)光引擎

人眼對(duì)于光強(qiáng)的感知實(shí)際是對(duì)光振動(dòng)的振幅的感知，而光的強(qiáng)度和振幅的平方成正比，這就導(dǎo)致人眼對(duì)光強(qiáng)的線性變化無(wú)法做出線性的感知，而是會(huì)產(chǎn)生近似對(duì)數(shù)的關(guān)系。為此，如果需要讓人眼感知到線性的變化，則需要讓光強(qiáng)按照指數(shù)型改變。

為了解決這種難題，BCCU創(chuàng)新的增加了指數(shù)型調(diào)光模塊，使得光強(qiáng)可以自動(dòng)的按照指數(shù)規(guī)律變化，從而達(dá)到對(duì)人眼的感知的線性變化，從而達(dá)到柔和調(diào)光的效果。指數(shù)型調(diào)光的模塊和原理如圖3。

代碼實(shí)現(xiàn)

{

// 指數(shù)型調(diào)光引擎0,終值0xABC寫(xiě)入影子寄存器

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

// 調(diào)整指數(shù)型調(diào)光變化速率為0xCBA

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

// 指數(shù)型調(diào)光引擎0,終值寫(xiě)入

SET_BIT(BCCU0->DESTRCON,BCCU_DESTRCON_DE0S_Pos);

// 打開(kāi)BCCU指數(shù)型調(diào)光引擎0

SET_BIT(BCCU0->DEEN,BCCU_DEEN_EDE0_Pos);

｝

第一頁(yè)：XMC1200 BCCU的智能調(diào)光方案

第二頁(yè)：RGB LED調(diào)光的電路圖

第三頁(yè)：線性調(diào)光器和Sigma Delta調(diào)制器

第四頁(yè)：閃爍看門(mén)狗/打包器

2) 線性調(diào)光器

BCCU 中引入了線性調(diào)光器，特性可以根據(jù)亮度目標(biāo)值和變化時(shí)長(zhǎng)，生成線性變化的亮度輸出，從而達(dá)到線性調(diào)整色彩的目的。改特性在RGB三色調(diào)光方面有特別的優(yōu) 勢(shì)，若設(shè)定RGB三通道變化時(shí)長(zhǎng)一致，則可以達(dá)到同步進(jìn)行三色調(diào)節(jié)的目的，輕松的實(shí)現(xiàn)三色混合。在圖4中，RGB三色同一時(shí)刻開(kāi)始變化，并在同一時(shí)刻達(dá)到 變化終點(diǎn)，它們的合成顏色在三色空間中表現(xiàn)為一條直線。

代碼實(shí)現(xiàn)

{

// 設(shè)置BCCU信道0的線性調(diào)光速率為0xCBA

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

// 設(shè)置調(diào)光終點(diǎn)為0xABC,寫(xiě)入影子寄存器

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

// 線性調(diào)光終值寫(xiě)入

SET_BIT(BCCU0->CHSTRCON,BCCU_CHSTRCON_CH0S);

｝

3) Sigma Delta調(diào)制器

通過(guò)開(kāi)關(guān)LED，能夠使得LED發(fā)出一定的光亮，若切換速度足夠快，則人眼將感知不到LED的開(kāi)關(guān)，達(dá)到連續(xù)發(fā)光的目的，而LED的亮度則取決于開(kāi)通的平均時(shí)間。

BCCU中內(nèi)置了Sigma Delta調(diào)制器，用于將亮度數(shù)值變換為比特流，產(chǎn)生快速開(kāi)關(guān)的脈沖密度調(diào)制信號(hào)(PDM)，通過(guò)這個(gè)信號(hào)來(lái)控制LED的開(kāi)關(guān)。

大家比較熟知的開(kāi)關(guān)信號(hào)有PWM，PDM和PWM的區(qū)別可以參考圖5，在相同的較長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，PDM和PWM信號(hào)有相同的開(kāi)通時(shí)間，但PWM表現(xiàn)為周期恒定，脈寬變化，但PDM則表現(xiàn)為周期不恒定，但脈寬相同。

相比來(lái)說(shuō)BCCU中提供的PDM具有較高的頻率，可以達(dá)到較高的分辨率，EMI特性更好，同時(shí)因頻率較高，更不易產(chǎn)生低頻閃爍。

第一頁(yè)：XMC1200 BCCU的智能調(diào)光方案

第二頁(yè)：RGB LED調(diào)光的電路圖

第三頁(yè)：線性調(diào)光器和Sigma Delta調(diào)制器

第四頁(yè)：閃爍看門(mén)狗/打包器

4) 閃爍看門(mén)狗/打包器

研究報(bào)告指出，人眼感官能夠感知的變化為45.8HZ以內(nèi)，低于這個(gè)頻率閃爍，會(huì)引起人眼的不適，高于這個(gè)頻率的閃爍，雖然不會(huì)被人眼感知到，但是仍舊會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生神經(jīng)性的影響，比如流行的護(hù)眼燈，頻率都在100Hz以上，這樣才能保證對(duì)人體影響較小。

在BCCU中，提供了一個(gè)自動(dòng)的低頻看門(mén)狗特性，通過(guò)提前設(shè)定好信號(hào)間的間隔時(shí)間，若間隔時(shí)間過(guò)大，則看門(mén)狗會(huì)自動(dòng)加入開(kāi)通信號(hào)，保證開(kāi)關(guān)頻率不低于設(shè)定的最小值，從而從原理上消除了低頻閃爍的產(chǎn)生。閃爍看門(mén)狗原理如圖6

在LED的驅(qū)動(dòng)中，需要保證最小開(kāi)通時(shí)間，即在最短的一段時(shí)間內(nèi)，需要保持開(kāi)通信號(hào)恒定。BCCU中提供了一個(gè)打包器用于完成這一功能。

看門(mén)狗配合打包器使用，就可以既保證了最小開(kāi)通時(shí)間，同時(shí)又能保證不產(chǎn)生低頻閃爍。

代碼實(shí)現(xiàn)

{

// 設(shè)定閃速看門(mén)狗的門(mén)限為0xABC

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

// 打開(kāi)BCCU通道0的閃爍看門(mén)狗

SET_BIT(BCCU0->CHCONFIG0,BCCU_CHCONFIG0_WEN_Pos);

// 設(shè)定BCCU通道0的打包器門(mén)坎為0xA

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

// 打開(kāi)BCCU通道0的打包器

SET_BIT(BCCU0->CHCONFIG0,BCCU_CHCONFIG0_PEN_Pos);

｝

總結(jié)

綜上所述，通過(guò)使用內(nèi)建BCCU單元的XMC1200系列MCU，可以對(duì)LED的進(jìn)行智慧調(diào)光，實(shí)現(xiàn)亮度的指數(shù)調(diào)節(jié)，色彩的線性調(diào)節(jié)，同時(shí)可以避免低頻時(shí)候產(chǎn)生的閃爍現(xiàn)象，有效的保護(hù)人眼。

XMC1200作為上述特性的單芯片解決方案，可以節(jié)省大量的CPU開(kāi)銷(xiāo)，大幅降低軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間，有效的減少人為導(dǎo)致的軟件錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)XMC1200系列MCU具有高性能、大容量，高可靠性的特點(diǎn)，可以把智慧調(diào)光廣泛的應(yīng)用于生活、工業(yè)的各個(gè)方面。