一種用于座艙顯示器的直下式RGB LED背光驅(qū)動技術(shù)
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(shù)； 通過對背光源驅(qū)動電路的設(shè)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(diào)節(jié)。該設(shè)計能更好地滿足座艙內(nèi)用戶的需求。
引言
為使座艙內(nèi)的用戶隨時得到準確、可靠的信息，座艙內(nèi)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(yīng)能根據(jù)周圍環(huán)境和用戶需求進行調(diào)整，避免用戶在環(huán)境光很強時看不清顯示內(nèi)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(lǐng)域。而LED 背光源是國家863 重點攻關(guān)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(shè)計了一種將LED 背光源運用到座艙顯示器的驅(qū)動電路，其中采用了國際上較為領(lǐng)先的直下式RGB LED 背光驅(qū)動技術(shù)，并將背光模塊分區(qū)，利用CAN 總線技術(shù)保證有效通訊； 電路的設(shè)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(diào)節(jié)。該設(shè)計能夠更好地滿足座艙內(nèi)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(cè)光式和直下式； 按LED 種類可分為RGB LED 與白光LED。與側(cè)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(diào)整技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(shè)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(qū)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(diào)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(shè)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(diào)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(guān)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(shè)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(qū)動集成電路輸出相應(yīng)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(diào)節(jié)。
1. 3 手動調(diào)節(jié)光強度
如果用戶對自動調(diào)節(jié)的光強不滿意，可根據(jù)個人喜好手動調(diào)節(jié)背光模塊的光強。背光模塊調(diào)節(jié)前的三原色光強為yi，經(jīng)人工調(diào)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(shè)置了bmini和kmini。比較b'i和bmini，將較大的值作為調(diào)整后的bi值存入電路中； 比較k'i和kmini，將較大的值作為調(diào)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(guān)系的修改。
系統(tǒng)初始化時設(shè)定bi和ki的初始值為bsi和ksi，并存儲到單片機內(nèi)，用戶可以通過按鍵使bi和ki還原到bsi和ksi。
2 驅(qū)動和檢測電路
座艙式顯示設(shè)備主要集中在中尺寸，本文設(shè)計的是7 寸液晶顯示器的背光驅(qū)動電路。檢測和驅(qū)動部分的電路原理圖如圖2 所示。
圖2 檢測和驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)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(diào)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(shè)計采用CAN 總線通訊。CAN 網(wǎng)絡(luò)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計成本低、通訊可靠性高，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中各檢測和執(zhí)行機構(gòu)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(qū)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(shè)計采用的傳輸速率為500kbps。 4 結(jié)論 以上通過對液晶顯示器背光源進行調(diào)研，結(jié)合座艙環(huán)境對顯示器的要求，設(shè)計了一種用于座艙的直下式RGB LED 背光驅(qū)動電路，它能自動或手動調(diào)節(jié)顯示器背光源的亮度。經(jīng)測試使用，采用本設(shè)計技術(shù)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(shè)計采用分區(qū)設(shè)計，其背光電路設(shè)計方案也可用于大尺寸液晶顯示器中。
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