基于小型MCU的LED照明的色彩控制

在大趋势下，LED用于通用照明指日可待。LED在通用照明中优势很多，如寿命更长以及效率更高。然而，LED技术还面临着一些挑战。其中一个挑战就是如何产生高品质的白光。白光LED的构成包含了蓝光LED和能将光输出移至光谱的其他波段的一种荧光粉。许多白光LED都无法产生高显色指数(Color Rendering Index，CRI)，该参数用于衡量光源真实重现色彩的能力。 　　通过混合两种或两种以上颜色的LED光，可以获得品质更高的白光系统。在这些多色系统中，每种色源的光输出会随时间和温度而漂移。光传感器和小型单片机(MCU)可用于维持特定颜色和相关色温(CorrELated Color Temperature，CCT)。在本文中，我们将进一步了解传感器、所需MCU资源和软件。 　　目前市场上有许多经济实惠的小型光传感器，它们可以向MCU提供用于处理的信息。典型地，传感器具有一些可选的颜色过滤器，用于测量红光、绿光、蓝光或白光(无过滤器)。光传感器输出接口可通过一系列的方法与MCU连接。光转电压传感器通过输出电压与模数转换器(ADC)相连。光转频率传感器提供变频输出，输出频率与光的量成正比。这些传感器的脉冲输出可以在MCU定时器中进行累加，以确定光照级别。光转数字传感器通常具有串行数字接口，例如I2C。每种类型的传感器接口都具有独特的优点，且需要不同的MCU资源。图1所示的系统框图给出了多种MCU外设，它们在颜色可调的LED照明设计中非常有用。 　　在完整的闭环色彩控制系统中，MCU必须读取来自光传感器的颜色成分，校准光传感器输出，并通过调节各个LED驱动器的输出获得想要的颜色。LED需要使用恒流驱动器来维持光输出的一致性。这可以使用各种驱动器技术实现，这些技术包括线性和开关模式解决方案。最终的选择取决于诸如效率要求、输入电压范围和所用LED数量等因素。 　　驱动器输出可以使用不同的方法来控制。首先，MCU可以通过数模转换器(DAC)或数字电位计来产生模拟参考电压。参考电压可以使驱动器输出在零至最大电流之间变化。MCU还可以提供用于调制驱动器输出的PWM信号。PWM信号可用于使能/禁止驱动器本身，或者用于控制将LED与驱动器输出断开的开关。如果使用PWM控制，则选择的PWM频率要足够高，这样人眼才能察觉不到任何闪烁。 　　设计人员必须确定色彩控制系统要求的控制分辨率需要达到何种程度，以便选择具备相应外设的MCU。对于光转电压传感器，MCU上ADC的测量分辨率很重要。光转频率传感器需要一个通过外部时钟实现递增的MCU时基。光转数字传感器需要相应的串行通信接口外设。 　　带多个PWM外设的MCU可用于控制各个LED驱动器。在高分辨率色彩控制系统中，首选具有16位或更高控制分辨率的PWM外设。串行通信外设(如UART、SPI、I2C、LIN和USB等)支持输入/输出控制和显示功能。 　　对色彩控制系统来说，PIC24FJ16GA002(见图2)之类的MCU器件是上佳之选。PIC24器件具有28引脚的小尺寸封装，程序存储器范围为16至64KB，并且在单个器件中提供了串行通信接口、10位ADC和5个PWM通道。16位MCU内核可以轻松地处理与传感器校准和色彩控制有关的算术运算。 　　传感器数据输出必须根据参考电压进行校准，以提供一致的结果。校准过程使用色度计来将不同颜色LED的输出与光谱响应和光传感器的灵敏度在标准色度坐标系中进行数学关联。校准过程会生成一个系数矩阵，它必须随照明系统存储在非易失性存储器中，并在控制系统的每次控制中用于确定关联和所需输出之间的差。 　　完成校准后，MCU可以将传感器数据与理想的CIE(国际照明委员会)色度图坐标进行比较，并对输出通道进行调节，直到得到理想的CCT为止。每个输出通道的PID控制算法会使用校准值调节传感器数据，求得与目标设置点的差，然后调节输出通道。为了减小误差，PID会不断运行，直到输出CCT与设置点CCT匹配为止。PID系数可以进行微调，以最大程度优化系统响应，但PID算法收敛至目标CCT的快慢也是MCU处理算术运算效率的函数。一些色彩控制系统可能需要比其他系统更快的处理速度和响应速度。例如，通用照明系统的要求要比HDTV面板的局部调光系统低。 　　光源可调或具有高CRI的系统有一系列的用户控制要求。带图形LCD显示屏的医疗设备可能具有可调的LED背光(它要求MCU通过SPI与LCD进行通信)，以及用于调节CCT和亮度的触摸屏界面。商用显示设备的通用照明可能要求通过中央面板或计算机进行控制，以根据一天中的各个时段自动调节亮度、CCT和开/关。这些设备之间的通信可以使用硬连线串行总线协议(例如DALI或DMX512)实现，而其他一些设备可能需要使用通过USB或以太网实现的自定义接口。在已竣工的建筑物中，安装硬连线基础结构可能不行，需要通过无线通信和协议(例如ZigBee)进行控制。对于此类照明应用，带有灵活外设的MCU是实现通信和用户界面的理想之选。 　　蜡烛、煤油灯和白炽灯等光源技术取代了它们之前的技术，进而提高了人们的生活质量。预计LED光源比其他所有的光源技术更好地丰富我们的生活。LED具有能效高、尺寸小、便携、耐用和寿命长等优点。采用小型MCU进行控制的多色LED可以调节光输出，提供适合照明空间的舒适光照。MCU可以智能地控制驱动器电路(使能效最大)、监视一些情况，以及最大程度提高能效和平均寿命。MCU色彩控制LED照明系统将使人们能够用不同的眼“光”看世界。