采用MAX44009環(huán)境光傳感器，輕松控制LCD顯示屏亮度

　　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。借助ALS解決方案，系統(tǒng)設(shè)計師可根據(jù)環(huán)境光強度，自動調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。因為背光照明的耗電量在系統(tǒng)的總耗電量中占據(jù)很大的比例，實行動態(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，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)實現(xiàn)需要三大部分：監(jiān)測環(huán)境光強的光傳感器、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，因為它要向系統(tǒng)的其他模塊提供環(huán)境光強信息。光傳感器必須具備將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的信號轉(zhuǎn)換器（譬如光電二極管或CdS光敏電阻）和信號放大和/或調(diào)節(jié)裝置以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

圖1. 實施背光控制的系統(tǒng)框圖

　　圖2所示為分立光電二極管電路，從圖中可以看出，該電路需要一個或多個運算放大器：一個用于電流到電壓的轉(zhuǎn)換，可能還需要一級放大，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

　　這里還存在一個更細(xì)微的問題。具體而言，理想情況下，應(yīng)確保環(huán)境光的測量模擬了人眼對光線的響應(yīng)機制。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)機制，因為它們通常具有很高的紅外（IR）靈敏度。在IR強度較大的光照條件（譬如白熾燈或日光）下，這種紅外靈敏度會造成錯誤地判斷光線強度。

　　解決上述問題的方法之一是使用兩個光電二極管：一個采用對可見光和紅外光都很敏感的元件，另一個采用只對紅外光敏感的元件。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、甚至不可能讓兩個分立的光電二極管配合得足夠緊密，以實現(xiàn)消除紅外干擾的目的。如果不配備精密放大器（譬如對數(shù)放大器），動態(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)更真實的光強數(shù)據(jù)，還能夠節(jié)省大量空間。MAX9635、MAX44009等環(huán)境光傳感器，可將所有信號調(diào)節(jié)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器集成在一個小封裝（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I?C通信協(xié)議，使其與微控制器的連接方式更簡單，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現(xiàn)，具體取決于設(shè)備中的顯示屏模塊。有兩種最簡單的方式，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，還可安裝一個簡單的背光控制執(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。實現(xiàn)這種控制的一種簡單辦法是：直接給LED串聯(lián)一個場效應(yīng)晶體管（FET），使用PWM信號快速打開、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，通過微控制器實現(xiàn)。有人可能首先要問：“環(huán)境光強如何映射到背光亮度？”事實上，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?針對運行Windows? 7?操作系統(tǒng)的計算機提出的。圖7所示曲線是由Microsoft提供的，它可以將環(huán)境光強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)動電流映射為電壓。通過這個示例，我們可以假設(shè)LED電流強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系數(shù)，計算出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。

　　方案實施

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

圖8. 步進式亮度調(diào)節(jié)的算法示例

　　另一個問題是，系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境光強變化的速度。我們應(yīng)盡量避免過快地改變亮度等級。這是因為光強的瞬間變化（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，這往往會造成用戶感覺不適。并且，較長的響應(yīng)時間還有助于減少微控制器對光傳感器的檢測次數(shù)，從而可以釋放一定的微控制器資源。

　　最初級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，只有光線強度偏離特定范圍一定時間后，才對背光亮度進行調(diào)節(jié)。譬如，如果正常光強是200lux，我們可能只會在光強降到180lux以下或升至220lux以上，而且持續(xù)時間超過數(shù)秒的情況下才調(diào)節(jié)亮度。幸運的是，MAX9635和MAX44009都集成了中斷引腳和閾值寄存器，可輕松實現(xiàn)這個目的。請參考應(yīng)用筆記4786“MAX9635環(huán)境光傳感器的接口程序”，獲取更多詳細(xì)信息。

　　附錄：源代碼

#define MAX44009_ADDR0x96// begin definition of slave addresses for MAX44009#define INT_STATUS0x00#define INT_ENABLE0.01#define CONFIG_REG0x02#define high_BYTE0x03#define LOW_BYTE0x04#define THRESH_HIGH0x05#define THRESH_LOW0x06#define THRESH_TIMER0x07// end definition of slave addresses for MAX44009 extern float SCALE_FACTOR;// captures scaling factors to map from % brightness to PWMfloat currentBright_pct;// the current screen brightness, in % of maximumfloat desiredBright_pct;// the desired screen brightness, in % of maximumfloat stepSize;// the step size to use to go from the current // brightness to the desired brightnessuint8 lightReadingCounter; /** *Function:SetPWMDutyCycle * *Arguments:uint16 dc - desired duty cycle * *Returns:none * *Description:Sets the duty cycle of a 16-bit PWM, assuming that in this  *architecture, 0x0000 = 0% duty cycle * 0x7FFF = 50% and 0xFFFF = 100%**/extern void SetPWMDutyCycle(uint16 dc); /** *Function:I2C_WriteByte * *Arguments:uint8 slaveAddr - address of the slave device *uint8 command - destination register in slave device *uint8 data - data to write to the register * *Returns:ACK bit * *Description:Performs necessary functions to send one byte of data to a  *specified register in a specific device on the I2C bus**/uint8 2C_WriteByte(uint8 slaveAddr, uint8 command, uint8 data); /** *Function:I2C_ReadByte * * Arguments:uint8 slaveAddr - address of the slave device *uint8 command - destination register in slave device *uint8 *data - pointer data to read from the register *  *Returns:ACK bit * *Description:Performs necessary functions to get one byte of data from a  *specified register in a specific deviceon the I2C bus**/uint8 I2C_ReadByte(uint8 slaveAddr, uint8 command, uint8* data); /** *Function:getPctBrightFromLuxReading * *Arguments:float lux - the pre-computed ambient light level * *Returns:The % of maximum brightness to which the backlight should be set  *given the ambient light (0 to 1.0) * *Description:Uses a function to map the ambient light level to a backlight  *brightness by using a predetermined function**/float getPctBrightFromLuxReading(float lux); /** *Function:mapPctBrighttoPWM * *Arguments:float pct * *Returns:PWM counts needed to achieve the specified % brightness (as  *determined by some scaling factors)**/uint16 mapPctBrighttoPWM(float pct); /** *Function:getLightLevel * *Arguments:n/a * *Returns:the ambient light level, in lux * *Description:Reads both the light registers on the device and returns the  *computed light level**/float getLightLevel(void); /** *Function:stepBrightness * *Arguments:n/a * *Returns:n/a * *Description:This function would be called by an interrupt. It looks at the  *current brightness setting, then the desired brightness setting.  *If there is a difference between the two, the current brightness  *setting is stepped closer to its goal.**/void stepBrightness(void); /** *Function:timerISR * *Arguments:n/a * *Returns:n/a * *Description:An interrupt service routine which fires every 100ms or so. This  *handles all the ambient light sensor and backlight *control code.**/void timerISR(void); void main() {SetupMicro();// some subroutine which initializes this CPUI2C_WriteByte(MAX44009_ADDR, CONFIG_REG, 0x80);// set to run continuouslylightReadingCounter = 0;stepSize = .01;currentBright_pct = 0.5;desiredBright_pct = 0.5;SetPWMDutyCycle(mapPctBrighttoPWM(currentBright_pct));InitializeTimerInterrupt();// set this to fire every 100mswhile(1) {// do whatever else you need here, the LCD control is done in interruptsIdle();}} // main routine // the point at which the function clips to 100%#define MAXIMUM_LUX_BREAKPOINT1254.0float getPctBrightFromLuxReading(float lux) {if (lux > MAXIMUM_LUX_BREAKPOINT)return 1.0;elsereturn (9.9323*log(x) + 27.059)/100.0;} // getPctBrightFromLuxReading uint16 mapPctBrighttoPWM(float pct) {return (uint16)(0xFFFF * pct * SCALE_FACTOR);} // mapPctBrighttoPWM float getLightLevel(void) {uint8* lowByte;uint8* highByte;uint8 exponent;uint8 mantissa;float result;I2C_ReadByte(MAX44009_ADDR, HIGH_BYTE, highByte);I2C_ReadByte(MAX44009_ADDR, LOW_BYTE, lowByte);exponent = (highByte & 0xF0) >> 4;// upper four bits of high byte registermantissa = (highByte & 0x0F) << 4;// lower four bits of high byte register =    // upper four bits of mantissamantissa += lowByte & 0x0F;   // lower four bits of low byte register =   // lower four bits of mantissaresult = mantissa * (1 << exponent) * 0.045;return result;} //getLightLevel void stepBrightness(void) { // if current is at desired, don't do anythingif (currentBright_pct == desiredBright_pct)return;// is the current brightness above the desired brightness?else if (currentBright_pct > desiredBright_pct) {// is the difference between the two less than one step?if ( (currentBright_pct-stepSize) < desiredBright_pct)currentBright_pct = desiredBright_pct;elsecurrentBright_pct -= stepSize;} // else ifelse if (currentBright_pct < desiredBright_pct) {// is the difference between the two less than one step?if ( (currentBright_pct+stepSize) > desiredBright_pct)currentBright_pct = desiredBright_pct;elsecurrentBright_pct += stepSize;} // else ifSetPWMDutyCycle(mapPctBrighttoPWM(currentBright_pct));return;} // stepBrightness void timerISR(void) {float lux;float pctDiff;stepBrightness();if (lightReadingCounter)lightReadingCounter--;else {lightReadingCounter = 20;// 2 second delaylux = getLightLevel();desiredBright_pct = getPctBrightFromLuxReading(lux);pctDiff = abs(desiredBright_pct - currentBright_pct);stepSize = (pctDiff <= 0.01) ? 0.01:pctDiff/10;} // elseClearInterruptFlag();} // timerISR