一種用于座艙顯示器的直下式RGB LED背光驅動技術

摘要：使用直下式RGB LED 作為座艙用液晶顯示器背光源，并采用背光模塊分區(qū)技術; 通過對背光源驅動電路的設計，使用CAN 總線通訊，實現(xiàn)了顯示器背光模塊的光強根據(jù)周圍環(huán)境光的三原色光強或用戶喜好自動或手動調節(jié)。該設計能更好地滿足座艙內用戶的需求。

引言

為使座艙內的用戶隨時得到準確、可靠的信息，座艙內使用的顯示器必須具有高可靠性; 同時，為提高其易讀性和緩解視覺疲勞，顯示器的光強還應能根據(jù)周圍環(huán)境和用戶需求進行調整，避免用戶在環(huán)境光很強時看不清顯示內容，或在環(huán)境光很暗時感到刺眼。目前，液晶( LCD) 顯示器已廣泛用于商業(yè)、工業(yè)及軍事等領域。而LED 背光源是國家863 重點攻關課題，其在穩(wěn)定性、可視性、環(huán)保、發(fā)光效率、色彩飽和度、體積、動態(tài)控制等方面具有明顯優(yōu)勢，正在迅速普及。

本文設計了一種將LED 背光源運用到座艙顯示器的驅動電路，其中采用了國際上較為領先的直下式RGB LED 背光驅動技術，并將背光模塊分區(qū)，利用CAN 總線技術保證有效通訊; 電路的設計使顯示器背光模塊的光強能夠根據(jù)環(huán)境光的三原色光強或用戶喜好自動或手動調節(jié)。該設計能夠更好地滿足座艙內用戶的觀看需求。

1 背光模塊

1. 1 RGB LED 背光模塊

傳統(tǒng)的LCD 背光源采用的是冷陰極熒光燈( CCFL) ，色彩還原性差，僅能提供NTSC ( NationalTelevision System Committee) 標準中色域的72%;而LED 背光源色彩還原性好，可以達到NTSC 標準中色域的105% ，甚至超過120%，并且壽命長、不含汞。

LED 背光模組按入射位置一般分為側光式和直下式; 按LED 種類可分為RGB LED 與白光LED。與側光式背光源相比，直下式背光源由于LED 分布在面板的后方，亮度分布更均勻。RGB LED 背光采用了RGB 三原色的LED 作為獨立發(fā)光元件，與白光LED 相比，具有更好的亮度、對比度和色彩還原性。

采用RGB LED 作為背光模組，顯示器的色域范圍最高能達到NTSC 色域的150% 左右，同時，RGB LED背光源支持背光區(qū)域調整技術，動態(tài)對比度可達到千萬： 1 級[5]。通過分析，直下式RGB LED 更適合作為座艙環(huán)境下的LCD 顯示器背光源。圖1 為采用直下式LED 背光源的LCD 顯示器結構示意圖。

圖1 采用直下式LED 背光源的液晶顯示器頂視圖

由于LED 光源為點光源，我們需要對其進行光學設計，形成亮度均勻的面光源。另外我們對背光模塊屏幕進行了分塊，每塊區(qū)域采用三片LED 驅動集成電路分別對三原色LED 的發(fā)光強度進行控制。

1. 2 自動調節(jié)光強度

由于人眼習慣于看受環(huán)境光影響的自然界中的物體，本文設計的背光模塊的亮度模擬在自然界中物體的亮度特性，其中的R、G、B 三色LED 亮度達到最大值時，顯示屏的白平衡達到最好。

電路檢測環(huán)境光的光強，使環(huán)境光經(jīng)三原色傳感器分解成紅、綠、藍信號，其大小分別用xR、xG、xB表示，然后根據(jù)環(huán)境光的強度分別調節(jié)背光源的三原色光強度。將背光模塊需要發(fā)出的三原色的光強分別用yR、yG、yB表示。使背光模塊需要發(fā)出的三原色光強與環(huán)境光的三原色光強的關系為：

式中，i 可取R、G、B; bi是環(huán)境光為0 時背光源第i 種顏色的光強，k i是參照自然界中普通物體在自然光照射下的光強特性而設定的，ki和bi都大于0，其值存儲在單片機中，并可以根據(jù)用戶的需要改變。

控制模塊通過三原色傳感器不斷對環(huán)境光的光強及背光模塊的三原色實際光強進行測量，控制LED 驅動集成電路輸出相應的PWM 信號，從而實現(xiàn)背光模塊的光強能根據(jù)周圍環(huán)境光的照度自動調節(jié)。

1. 3 手動調節(jié)光強度

如果用戶對自動調節(jié)的光強不滿意，可根據(jù)個人喜好手動調節(jié)背光模塊的光強。背光模塊調節(jié)前的三原色光強為yi，經(jīng)人工調節(jié)后的三原色光強為y'i，通過y'i計算出b'i、k'i:

該二式計算出的b'i和k'i可能會非常小，針對這種情況，在電路中設置了bmini和kmini。比較b'i和bmini，將較大的值作為調整后的bi值存入電路中; 比較k'i和kmini，將較大的值作為調整后的ki值存入單片機中。從而完成對背光模塊光強和環(huán)境光強度之間關系的修改。

系統(tǒng)初始化時設定bi和ki的初始值為bsi和ksi，并存儲到單片機內，用戶可以通過按鍵使bi和ki還原到bsi和ksi。

2 驅動和檢測電路

座艙式顯示設備主要集中在中尺寸，本文設計的是7 寸液晶顯示器的背光驅動電路。檢測和驅動部分的電路原理圖如圖2 所示。

圖2 檢測和驅動部分的原理圖

電路中采用STC12C5624AD 單片機作為控制模塊; 采用National Semiconductor 生產(chǎn)的LM 2733 升壓電源，分別驅動紅、綠、藍三色LED; 以LM20 作為溫度傳感器，隨時檢測LED 的溫度，保證LED 正常工作; 選用光敏二極管MCS3AS 作為三原色傳感器，將光信號轉換為紅、綠、藍的三原色的電信號; 通過按鍵控制是否復位到初始值及手動調光。

為提高系統(tǒng)的可靠性，將液晶的背光模塊分為9個區(qū)域。同時，為濾除50Hz、60Hz 干擾信號，本電路對環(huán)境光及背光模塊的光強信號進行采樣時，采用1s 采樣600 個點求平均值的方法。

3 通訊模塊

為保證通訊的可靠性，本設計采用CAN 總線通訊。CAN 網(wǎng)絡是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網(wǎng)絡，其總線規(guī)范已被ISO 國際標準化組織制定為國際標準，并被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。由于其設計成本低、通訊可靠性高，廣泛應用于控制系統(tǒng)中各檢測和執(zhí)行機構之間的數(shù)據(jù)通信。

將單片機、三原色傳感器、溫度傳感器、LED 驅動集成電路作為一個節(jié)點，采用SJA1000 和TJA1040作為節(jié)點的通訊器件。節(jié)點單片機將背光信息和環(huán)境光信息發(fā)送到CAN 總線上，同時也能夠接收到CAN 總線上的信息。本設計采用的傳輸速率為500kbps。

4 結論

以上通過對液晶顯示器背光源進行調研，結合座艙環(huán)境對顯示器的要求，設計了一種用于座艙的直下式RGB LED 背光驅動電路，它能自動或手動調節(jié)顯示器背光源的亮度。經(jīng)測試使用，采用本設計技術的LCD 顯示屏在周圍光線較亮時仍具備可讀性，保證了顯示器顯示信息的安全性和可靠性。

由于本設計采用分區(qū)設計，其背光電路設計方案也可用于大尺寸液晶顯示器中。