SCI初始化

第二章 MCU控制單元

2.3 記憶體與周邊資源管理

2.3.5 微控制器各模組初始化設定

2.3.5.11 SCI初始化

本文規劃調校程式採用RS232通訊機制，且MC9S12 D-Family內建2組序列通訊界面(SCI)，本文規劃RS232於SCI0。RS232的Baud Rate規劃與考慮PC的通訊規範，選用19231 bps。其餘設定請見參考資料【11】。

第三章

LED元件運用設計

如何有效提升LED的亮度，實為刻不容緩之課題，而一般來說，提升LED亮度有兩種途徑，一為提高效率，二為增加功率。就提高效率而言，目前效能最大的障礙在於外部取光效率低落，而其原因主要歸咎於不同的介質間之全反射損失與構裝材料本身的吸收，以LED元件來看，經由電子、電洞結合，光從LED晶片活性層發出後，經過封裝材料才到達空氣而光必須經過許多折射率不同之介質，如磊晶層或封裝材料層等，若光從高折射率材料進入低折射率時介質時，介面就會發生全反射現象，使光波無法有效導，出降低亮度。由此可知，若要增加外部取光效率，則需調變構裝形式或封裝材料來將光導出元件。在改變構裝形式的部分，

可在構裝中設置反光板(鏡子) ，使鏡子凹面朝向封裝表面，讓LED晶片發出發出之光受到鏡子反射，照射到封裝表面，將光波導出LED元件外部，增加整體亮度。晶片表面粗化或建構光子晶體也是目前提高外部取光效率之熱門方法，其最主要利用週期性折射率分佈而使光線發生衍射，進而從晶片內部發射到外部的光線就會增加。

(a) (b) 圖3.1 LED 的基本特性

略提 LED 的基本特性，圖(a): LED的偏壓相對應的電流值, ，圖(b): LED的電流大小對應到的發光強度。單位: cd(燭光). 電流較大時，電流和發光強度是呈比例。

3.1 元件特性

選用 COTCO 發光二極體，描述 120 度數 6.0*5.0 包裝為 SMT-LED 全彩水透明，

材料（AlGalnP&GaN），考慮到 LED 的尺寸圖 3.2 所示、RGB 電壓電流曲線圖 3.3 所示、絕對最大電氣規格表 3.1 所示與光電特性表 3.2 所示。

• 室內與室外的顯示

• 背光

• 照相機閃爍

• ＲＧＢ全彩顯示

圖 3.2 尺寸敘述

圖 3.3 RGB Vf-If 曲線

表 3.1 LED 的絕對最大範圍

表 3.2 典型電與光特性

此 LED 的 RGB Vf-If 曲線是由順向電壓與順向電流組成，藍光與綠光的操作電壓範圍由 3.4~4.4V 電流由 20~80mA，紅光操作電壓由 2.2~2.7V 電流由 20~80mA，

而此 LED 的絕對範圍部分中的 RGB 順向電流以 80mA 為上限，另一表 3.2 典型電與光的的特性可看出發紅光時操作電流 50mA 時配合最大操作電壓 3.2V 可產生紅光的主波長 612~625nm，發綠光時操作電流 50mA 時配合最大操作電壓 4.6V 可產生紅光的主波長 514~534nm，發藍光時操作電流 50mA 時配合最大操作電壓 4.6V 可產生紅光的主波長 460~480nm。

3.2 LED陣列模組

本文LED陣列模組依背板的材質與大小分為64顆LED背板材質為FR與405顆 LED15吋 16:9背板材質為Al-MCPCB此3.3節會說明，LED排版間隔如下圖每顆LED 中心間隔都為12.4mm由圖3.4可得知此規劃，此間隔距離是由另模擬軟體計算的知，64顆LED模組外加電壓為16.5V與405顆LED15吋外加電壓為111V。

圖3.4 LED排版間隔尺寸

此模組主要是為了配合MBI1816 三色LED驅動電路而設計，其有考慮COTCO 元件特性與發光強度而得以下數據 VLED=16.5V、IGout (48mA) IRout (30mA) Ibout(24mA)且LED與LED中心間隙為2.54cm，其實際LAYOUT PC Board FR4。可由圖3.5、圖3.6、圖3.7所示得知。

R15 110

R12 110

18_o

14_o R14 220

R11 220

R1 10

R13 10

R18 110

R17 220

8_o

圖 3.6 64 PCS LED陣列驅動電路LAYOUT

圖 3.7 實際64 PCS LED陣列驅動電路

3.3 15吋LED背光模組

•LED擺設的設計圖3.8與材質MCPCB圖 3.9所示- -高導熱鋁基板(1.7Tmm 1/0 oz Cu hot air solder leveling for solder pad SIZE: 270*150mm^2)。

• 溫度與發光均勻度量測圖 3.10 、圖 3.11所示-- The temperature of MCPCB will reach 60 oC and be stable。

• LED 背光光源結構圖 3.9所示。

圖 3.8 15吋16:9LED背光模組電路圖

Heat sink Heat sink Thermal

Thermal couple couple

Al holder Al holder plastic cover

plastic cover

(a) (b)

圖 3.9 15吋 LED 背光板使用 3in1(a)正面 (b)背面

7624

7700

7550

7420

7700 7560

7160 7100

7330

圖 3.9 15吋 LED 背光光源測量出均勻度92 %

0 10 20 30 40 50 0

10 20 30 40 50 60 70

Edge Center Top

T e mperat ure

Time (min)

圖 3.10 15吋LED 背光板(MCPUB)溫度變化

Diffuser plate BEFIII X 1 DBEF-D400 LCD panel

(~7.5% for NB)

R: 33mA; G: 50 mA; B:27 mA

LED: 405 , pitch: 12.5mm

Reflector LED

圖 3.11 15吋 LED 背光光源結構

表 3.3 15吋 LED 背光光源規格

280 (CW)

# of LEDs

0.3 ,0.3 Color

coordinate

~92%

Uniformity

20mm (not include heat sink) Thickness

500 nit (CW, after panel) Luminance

~105% NTSC standard Color

saturation

62W (~282W for 32”)

Power

consumption

3in1 SMD (15 lm/W) LED type

15 inch Size

Values

Items

第四章

LED驅動設計

選Macroblock公司的MBI1816 固定電流LED 驅動IC他的功能是驅動LED發光應用和開發精確性技術增加其輸出特性，而MBI1816輸出面16個調整電流端點和固定電流降低用於驅動LEDs 內部Vf 大範圍變化。MBI1816提供使用者16通道固定電流端去匹配LEDs 等效電流，使用者可調整輸出電流從5mA至60Ma取決於外部電阻 Rext，給使用者彈性控制LEDs光強度。另外，使用者可精確的調整LED亮度從0%

至100%經由外部OE外部脈波寬度調幅，可由圖4.1方塊圖。

圖 4.1 MBI1816方塊圖

表 4.1 MBI1816腳位敘述

圖 4.1 MBI1816方塊圖為此顆LED驅動IC的功能說明而表 4.1 為此顆IC的腳位說明，GND為腳位接地、OUT0~OUT15為接LED元件控制驅動電流、OE為PWM 訊號輸入端、R-EXT為外接電阻改變電阻值能改變驅動電流、VDD為IC輸入驅動電壓、Thermal Pad為功率射扇端連至地端。

4.1 應用電路

圖4.2所示MBI1816應用電路，這裡VLED 和VDD共為電壓訊號電壓源。圖4.3 所示MBI1816應用電路使用PWM信號變暗淡控制，這裡VLED 和VDD分別為使用電壓源。

圖 4.2 MBI1816 共用電壓訊號電路

圖 4.3 MBI1816 PWM控制電路

4.2 固定電流

在LED光源應用，MBI1816提供幾少不變電流從通道至通道和從IC至IC。下列兩點可被實現:

1) 最大電流變化在兩者間通道是小於±3%，和兩者間ICs是小於±6%。

2) 此外，輸出端點電流特性是平坦和使用者可以參考下圖4.4所示，這輸出電流無論如何可保持固定在於LED前制電壓Vf的變化。這裡保證LED被執行同一個亮度在使用這的規範中。

圖 4.4 VDS-IOUT曲線

• 設定輸出電流

每一個輸出電流(IOUT)的設定是由外部的設定﹐Rext。IOUT和 Rext兩者關係如下圖4.5所示。

並且，輸出電流可從等示計算的知 : VR-EXT =1.24V;

Rext = (VR-EXT/IOUT)×59=(1.24V/ IOUT)×59

IOUT=(VR-EXT/ Rext)×59=(1.24V/ Rext)×59 在±6%誤差範圍內部

圖 4.5 Rext-Iout 曲線

• 負載供應電壓(VLED)

MBI1816是設計運用於勝任於VDS實現固定電流。VDS與IOUT一起應該沒有超出包裝功率射扇限制﹐PD(max)。

圖4.6所示﹐VDS=VLED-VF﹐和VLED是稱為負載供應電壓。假如VDS降低非常低的電壓驅動值﹐PD(act)而最大值為PD(max)。

VDS= (VLED-VF)-VDROP

圖 4.6 負載電壓

首先是每個output的電流差異量要小圖4.7, 我們說Bit skew要低於 +-3%,甚至要求做到更低, 再來IC與IC間的電流差異量要小.所以,我們會要求 Chip skew要低於 +-10%,甚至要求做到低於 +-6%。

圖4.7 Current SKew

4.3 RGB驅動電路

使用三個MBI1816 LED Driver 去限定LED (R、G、B)驅動電流，如下計算式，

其VLED為陣列LED的總驅動電壓，G-EXT 、R-EXT、 B-EXT稱外部電阻功能是經由設定可限定LED固定電流，在此LED三色固定電流限定為IGout (48mA) IRout (30mA) Ibout(24mA)，圖 4.7、圖 4.8所示為實際電路與LAYOUT。

計算式:

VLED=16.5V G-EXT=1.5K R-EXT=2.4K B-EXT=3K

IOUT=(VR-EXT/Rex)*59=(1.24V/Rext)*59+/-0.6%

IGout 0.048773333 IRout 0.030483333 IBout 0.024386667

RGB Current measurement R1 R2 R3

30.3mA 30.42mA 30.36mA G1 G2 G3

47.31mA 47.22mA 47.37mA B1 B2 B3

24.43mA 24.36mA 24.39

R49

第五章

顏色與溫度感測模組

大部份的量測是從一個轉換器(converter)開始，亦即一種可將感應器測量的到如溫度、應變、加速度的物理量轉換為電子信號裝置。感應器有許多各式各樣不同的量測範圍及外形規格。訊號處理器包含放大、濾波、差動應用、絕緣、同步取樣、電流轉換電壓、電壓轉換頻率、線性化項目等。

5.1 顏色模組的尺寸

此顏色感測模組應用開回路顏色識別和閉回路顏色點控制是為理想，其有特別的感光度響應用於 RGB-LED 背光源，這感測器有好的偵測能力在於光輸出色度漂移，當使用閉回路回授控制可管理背光系統實現好的 du＇v＇性能。所以此感測器應用包括白點的控制在於放射性顯示，環境的光線，工業處理顏色控制等。

選用安捷倫型號 HDJD-S831-QT333 顏色感測模組，此顏色感測是高效能、小尺寸、價錢便宜、高效率的光電轉換感測器。這感測結合一個光二極體陣列和三個阻抗放大器而信號整體於 CMOS IC 來處理。光二極體陣列過濾紅綠藍顏色，這感測轉換 RGB 光變成類比電壓輸出，以 VBOUT、VGOUT 和 VROUT 分別表示表 5.1 所示。這感應器是被用於 5V 供應和內部 5V 至 3.3V 電壓調整器。一個顏色感應器組成顏色感應模組封裝用 5x5x2[mm]架置 QFN-16 圖 5.1、圖 5.2、圖 5.3 所示，

平面可彎曲的連接器和減低耦合電容架設於 PCB 板上圖 5.4 所示。

圖 5.1 封裝尺寸正面

圖 5.2 封裝尺寸側面

圖 5.3 平面電線聯接腳位

圖 5.4 PCB layout

表 5.1 平面電線聯接腳位

Pin Name Description

1 VDD5 5V DC Supply

2 GND Ground

3 VBOUT Analog Output Voltage for Blue 4 VGOUT Analog Output Voltage for Green 5 VROUT Analog Output Voltage for Red

圖 5.5 實際HDJD-S831-QT333腳位聯接

5.2 顏色模組運用原理

此模組感測光線下降，整合了RGB顏色過濾器並加上光二極體陣列偵測RGB 組成，這光二極體轉換紅綠藍光線變為光電流，這整合傳輸阻抗放大器做用是RGB 組成轉換為光電流再轉為類比電壓的輸出圖5.6所示。此電壓的輸出取決於RGB各通道增加光線線性度的強弱圖5.7所示。

圖 5.6 SENSOR IC 方塊

圖 5.7 典型的特徵波長-光強度、TA-VD

5.3 實際光電轉換量測

• 目的:

驗證8-Bit PWM模組功能與COLOR SENSOR讀取是否正常。

• 程序:

1. 建立一新軟體專案，其中只包含作業系統程式與8組PWM驅動程式。

2. 每組PWM訊號頻率皆設定為500Hz。

3. 設定Duty為0 %~100%。

4. 重新編譯軟體專案，並下載至微控制器中。

5. 利用示波器，觀察PWM訊號圖5.8點1所示是否正常。

6. 分別設定Duty為0%~100%，且同時量COLOR SENSOR訊號圖5.8點2所示，

如表5.2、表5.3、表5.4 為安捷倫顏色感測模組，如表5.5、表5.6、表5.7為 HAMAMATSU顏色感測模組所示。

• 注意事項:

本文規劃採用8-Bit PWM Module，且根據【17】，Duty Register值域範圍為0 ~ 100。當Duty 50%，Duty Register可設成50，剛好無Quantization Error產生。所以PWM 輸出訊號之Duty需有一定水準的準確度。

COLOR SENSOR

A/D

表 5.2 PWM訊號、安捷倫的顏色模組讀取值(GB)且經低通濾波電路比較

DUTY EVM PWM(RGB) COLOR SENSOR(GB) LOW FILTER

表 5.3 PWM訊號、安捷倫的顏色模組讀取值(R)且經低通濾波電路比較

DUTY EVM PWM(RGB) COLOR SENSOR(R) LOW FILTER

表 5.4 安捷倫的顏色感測模組由PC端讀取到AD的值

DUTY(%) VR_AD VG_AD VB_AD 背板溫度(℃)

90 363 594 595 49

80 342 532 531 46

70 321 469 468 39

60 259 345 348 34

50 223 290 292 30

40 189 235 235 26

30 108 128 128 25

20 71 80 80 23

10 34 39 39 23

00 2 2 1 23

由 EVM 輸出 PWM 訊號控制 LED 驅動 IC 去讓 LED 陣列發光在經由 COLOR SENSOR讀取值波形，再經低通濾波器訊號濾成平穩的直流電壓值如表5.3所示為綠與藍光而表5.2所示為紅光，再將訊號透過類比轉數位轉換得表5.4所示。