環(huán)境光傳感器背光控制的原理解析

引言

環(huán)境光傳感器（ALS）集成電路正越來越多地用于各種顯示器和照明設(shè)備，以節(jié)省電能，改善用戶體驗(yàn)。借助ALS解決方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。因?yàn)楸彻庹彰鞯暮碾娏吭谙到y(tǒng)的總耗電量中占據(jù)很大的比例，實(shí)行動(dòng)態(tài)的背光亮度控制，可節(jié)省大量的電能。此外，它還能夠改善用戶體驗(yàn)，讓顯示屏亮度根據(jù)環(huán)境光條件自行調(diào)整到最佳狀態(tài)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要三大部分：監(jiān)測(cè)環(huán)境光強(qiáng)的光傳感器、數(shù)據(jù)處理裝置（通常是微控制器）、控制背光輸入電流的執(zhí)行器。

背光控制：環(huán)境光傳感器

圖1是實(shí)施背光控制的系統(tǒng)示范框圖。在這套組合中，光傳感器是關(guān)鍵的組成部分，因?yàn)樗蛳到y(tǒng)的其他模塊提供環(huán)境光強(qiáng)信息。光傳感器必須具備將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器（譬如光電二極管或CdS光敏電阻）和信號(hào)放大和/或調(diào)節(jié)裝置以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

圖1. 實(shí)施背光控制的系統(tǒng)框圖

圖2所示為分立光電二極管電路，從圖中可以看出，該電路需要一個(gè)或多個(gè)運(yùn)算放大器：一個(gè)用于電流到電壓的轉(zhuǎn)換，可能還需要一級(jí)放大，提供附加增益。它還包括一些分支電路，用于供電，確保高度可靠的信號(hào)鏈。而在空間極其寶貴的應(yīng)用中，所需元件的數(shù)量過多可能導(dǎo)致空間受限問題。

圖2. 光電二極管電路分立設(shè)計(jì)

這里還存在一個(gè)更細(xì)微的問題。具體而言，理想情況下，應(yīng)確保環(huán)境光的測(cè)量模擬了人眼對(duì)光線的響應(yīng)機(jī)制。這通常借助CIE提供的視覺亮度曲線（圖3）。然而，光電二極管很少能夠完全模擬這種響應(yīng)機(jī)制，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂泻芨叩?a href="http://wenjunhu.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外（IR）靈敏度。在IR強(qiáng)度較大的光照條件（譬如白熾燈或日光）下，這種紅外靈敏度會(huì)造成錯(cuò)誤地判斷光線強(qiáng)度。

解決上述問題的方法之一是使用兩個(gè)光電二極管：一個(gè)采用對(duì)可見光和紅外光都很敏感的元件，另一個(gè)采用只對(duì)紅外光敏感的元件。最終用前者的響應(yīng)值減去后者的響應(yīng)值，將紅外干擾降至最小，獲得準(zhǔn)確的可見光響應(yīng)。

這種解決方案雖然有效，卻增加了分立電路的占用空間。通常還很難、甚至不可能讓兩個(gè)分立的光電二極管配合得足夠緊密，以實(shí)現(xiàn)消除紅外干擾的目的。如果不配備精密放大器（譬如對(duì)數(shù)放大器），動(dòng)態(tài)范圍可能很小。換句話說，很難利用這種組合獲得可重復(fù)的結(jié)果。

圖3. CIE曲線和典型的光電二極管

高集成度解決方案不僅能夠獲得比人眼光學(xué)系統(tǒng)更真實(shí)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，還能夠節(jié)省大量空間MAX44009等環(huán)境光傳感器，可將所有信號(hào)調(diào)節(jié)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)小封裝（2mm x 2mm UTDFN封裝）內(nèi)，從而在空間受限應(yīng)用中有效節(jié)省電路板面積。

圖4提供了MAX44009的功能框圖，采用I2C通信協(xié)議，使其與微控制器的連接方式更簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸速度更快。除此之外，該解決方案的高集成特性使其能夠置于柔性電纜，安裝在離主電路板距離合適的位置。

圖4. MAX44009功能框圖

背光控制：調(diào)節(jié)顯示屏亮度

該控制方案的第二部分是調(diào)節(jié)顯示屏的背光亮度。這可通過多種方式實(shí)現(xiàn)，具體取決于設(shè)備中的顯示屏模塊。有兩種最簡(jiǎn)單的方式，一種是借助脈沖寬度調(diào)制（PWM）方案的直接調(diào)節(jié)方式，另一種是采用顯示屏控制器的間接調(diào)節(jié)方式。

許多顯示屏模塊如今都配有一個(gè)集成控制器，用戶可以通過向控制器發(fā)送串行命令，直接設(shè)置背光亮度。如果顯示屏模塊未配備集成控制器，還可安裝一個(gè)簡(jiǎn)單的背光控制執(zhí)行器，控制顯示屏后面用于背光照明的白光LED燈的輸入電流。實(shí)現(xiàn)這種控制的一種簡(jiǎn)單辦法是：直接給LED串聯(lián)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），使用PWM信號(hào)快速打開、關(guān)閉FET （圖5）。然而，也可以利用單一芯片（用于LED控制的MAX1698升壓轉(zhuǎn)換器）準(zhǔn)確、可靠地調(diào)節(jié)（圖6），請(qǐng)參考應(yīng)用筆記3866“Low-power PWM output controls LED brightness”，獲取詳細(xì)信息。

圖5. 簡(jiǎn)單的PMW控制電路

圖6. 基于MAX1698的LED亮度調(diào)節(jié)器

背光控制：建立連接

最后一步就是在傳感器和執(zhí)行器之間建立連接，通過微控制器實(shí)現(xiàn)。有人可能首先要問：“環(huán)境光強(qiáng)如何映射到背光亮度？”事實(shí)上，有些文獻(xiàn)專門介紹了相關(guān)方案。其中一種映射方式是，Microsoft?針對(duì)運(yùn)行Windows? 71操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)提出的。圖7所示曲線是由Microsoft提供的，它可以將環(huán)境光強(qiáng)度映射到顯示屏亮度（以全部亮度的百分比表示）。

圖7. 將環(huán)境光強(qiáng)映射為最佳顯示屏亮度的曲線示例

這種特殊曲線可以用以下函數(shù)表示：

如果設(shè)備采用的是已集成亮度控制功能的LCD控制芯片，就可通過向芯片發(fā)送指令，輕松設(shè)置背光亮度。如果設(shè)備采用的是PWM直接控制亮度，則要考慮如何將比例信號(hào)映射至顯示屏亮度。

在MAX1698示例中，根據(jù)其產(chǎn)品說明書的介紹，可以將驅(qū)動(dòng)電流映射為電壓。通過這個(gè)示例，我們可以假設(shè)LED電流強(qiáng)度幾乎與其電流呈線性關(guān)系。這樣，我們就可以在上述等式中乘上一個(gè)系數(shù)，計(jì)算出PWM所映射的有效電壓，該電壓再被映射至LED電流，最后轉(zhuǎn)化成顯示屏亮度。

方案實(shí)施

最好不要從一個(gè)亮度級(jí)直接跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)亮度級(jí)，而是平滑上調(diào)和下調(diào)背光亮度，確保不同亮度等級(jí)之間無縫過渡。為了達(dá)到這一目的，最好采用帶有固定或不同亮度步長(zhǎng)、可逐步調(diào)節(jié)亮度的定時(shí)中斷，也可采用帶有可控制LED輸入電流的PWM值的定時(shí)中斷，或者是能夠發(fā)送到顯示屏控制器的串行指令的定時(shí)中斷。圖8提供了這種算法的一個(gè)示例。

圖8. 步進(jìn)式亮度調(diào)節(jié)的算法示例

另一個(gè)問題是，系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)變化的速度。我們應(yīng)盡量避免過快地改變亮度等級(jí)。這是因?yàn)楣鈴?qiáng)的瞬間變化（譬如一扇窗戶打開或瞬間有一束光掃過）可能導(dǎo)致背光亮度發(fā)生不必要的變化，這往往會(huì)造成用戶感覺不適。并且，較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間還有助于減少微控制器對(duì)光傳感器的檢測(cè)次數(shù)，從而可以釋放一定的微控制器資源。

最初級(jí)的方法就是每隔一兩秒鐘檢查一次光傳感器，然后相應(yīng)地調(diào)整背光亮度。更好的方法是，只有光線強(qiáng)度偏離特定范圍一定時(shí)間后，才對(duì)背光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。譬如，如果正常光強(qiáng)是200lux，我們可能只會(huì)在光強(qiáng)降到180lux以下或升至220lux以上，而且持續(xù)時(shí)間超過數(shù)秒的情況下才調(diào)節(jié)亮度。幸運(yùn)的是，MAX44009集成了中斷引腳和閾值寄存器，可輕松實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。