求一种可解决LED照明混色设计挑战的实现方案

　　由于不同的RGB LED的亮度和颜色会随著外界工作温度和使用时间而发生不同的变化，因此一个商业化的大尺寸高亮度RGB LED照明解决方案必须首先解决不同显示区域LED色彩的一致性问题，而这正是设计工程师最感头疼的地方。如何以一个很低的成本快速灵活地解决这一挑战？以及如何解决高亮度LED照明的低频闪烁和电磁干扰问题？已成为目前整个LED照明业界关注的焦点问题。本文将介绍一种基于Cypress（赛普拉斯）的EZ-Color控制器和无代码嵌入式设计软件PSoC express实现高亮度LED照明混色设计的解决方案。与以前的方案相比，该方案除了具有集成度高、成本低、灵活性好、前所未有的易用性特点之外，还能有效地解决低频闪烁和电磁干扰问题。
　　随着半导体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本身属于半导体器件的特性，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半导体有限公司生产的专门针对高亮度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、闪存、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，你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。
　　EZ-Color高亮LED照明混色方案的实现
　　1. 基于PSoC express的EZ-Color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（stochastic signal density modulation，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（Precise Illuminated Signal Modulation，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。
　　2．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。
　　赛普拉斯的EZ-Color方案的亮度控制采用了赛普拉斯的专有的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
　　3. 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 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
　　
　　图6：关联的温度传感器列表
　　C. 当HBLED窗口出现时，可从关联的温度传感器列表选择“热敏电阻临时传感器”（见图6）。
　　D. 在温度传感器属性窗口中输入所选传感器的属性参数，见图7。
　　
　　图7：温度传感器参数设置表
　　
　　图8：LED型号规格参数设置表
　　E. 设置你所选的LED型号规格参数，见图8。PSoC express软件在编译组建时会根据用户所
　　设置的温度传感器和LED型号规格属性参数值自动生成所需要的温度补偿和型号规格补偿软件。
　　F. 设置完HBLED驱动的参数后，点击OK。
　　G. 从express里的评估器（valuator）驱动里分别选择4个作为输入的变量：LEDBrightness， LEDEnable，xValuator，yValuator；从接口（interface）驱动里选择I2C作为LED混色系统与外部控制系统进行通信的接口。
　　H. 定义输出与输入的传递函数关系：右击“ColorMixer”输出驱动器图标，然后选择传递函数打开传递函数对话框。在传递函数对话框里将作为输入的4个变量与输出传递函数的4个参数一一对应配置即可，一旦配置完后，如图9所示，输出与输入之间会显示连接线。
　　
　　图9： 输出与输入
　　I. 编译组建项目，生成用以烧录的代码。在编译组建的过程中，PSoC express会弹出器件选择和引脚配置图。用户根据自已所做的威廉希尔官方网站 板进行相应的器件选择和引脚配置后，点击OK，PSoC Express会继续完成项目编译组建工作。在项目构建完后，一个没写任何一行代码和基于EZ-Color控制器的高亮LED照明混色系统的设计工作就基本完成了。
　　J. 程序烧录。在项目编译组建结束后，连接好程序PSoC烧录器和点击“PSoC programmer”就可以开始进行程序烧录。
　　K. 在线实时调试。PSoC express不但可以帮助用户进行直观式图形化设计，还支持在线实时调试功能，使得用户可以实时输入颜色请求信息，实时观察LED混色效果，从而确保LED混色结果达到客户满意的效果。下面以本设计为例，简要讲述一下如何轻松实现在线实时调试功能。第一步，连接好PSoC express在线实时调试硬件——I2USB板；第二步，从PSoC express设计区点击 “monitor”，进入调试窗口，然后点击I2USB板运行按键“ Running”；第三步，右击输出驱动器“ColorMixer”，选中“show tuner”，然后EZ-Color调试窗口打开，见图10.这时候用户可以在色度图中点击所需要的颜色实时观看混色效果了，实现在线调试功能。
　　
　　图10：EZ-Color在线实时调试窗口
　　本文结语
　　该方案设计简单，易于应用，性能优良，可广泛应用于城市照明、室内室外装饰、信号灯、舞台灯和LED广告屏等领域，实现精确稳定一致的色彩输出。