RGB 驅動電路

第四章 LED驅動設計

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。

• 注意事項:

5V 電壓值等於A/D轉換值1024Count，所以3V=613Count。

表 5.5 PWM訊號與HAMAMATSU的顏色感測模組讀取比較

DUTY (RGB) EVM PWM COLOR SENSOR

表 5.6 HAMAMATSU的顏色感測模組讀取值在經低通濾波器訊號比較

DUTY (RGB) COLOR SENSOR O TO E COLOR SENSOR TO Low Filter

表 5.7 HAMAMATSU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 16 17 16 44

80 35 55 35 43

70 69 82 73 42

60 187 218 191 40

50 247 275 253 38

40 307 328 313 36

30 436 440 439 34

20 494 496 497 33

10 564 555 567 32

00 613 613 613 32

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讀取值波形如表5.5所示，再經低通濾波器訊號濾成平穩的直流電壓值如表5.6所示，再將訊號透過類比轉數位轉換得表5.7所示。

• 注意事項:

5V 電壓值等於A/D轉換值1024Count，所以3V=613Count。

5.4 溫度感測

發光二極體是由半導體材料所形成之元件，其發光原理為施加電壓於半導體化合物上，在電子和電洞對結合而釋放能量，而散熱優良與否決定了LED元件工作效率，以晶片放光為例其發光效率隨溫度增加而下降滑，但對LED整體構裝效能與使用壽命來說，高熱依舊是LED的致命傷，因為如何有效導引LED發光所產生之熱量急於解決的問題。

選用久君(JOYIN.COM.TW)公司的熱敏電阻(Thermistor)此特性為負溫度系數 (NTC)，而圖5.9所示輸入電壓值由10K電阻與熱敏電阻分壓再經一階RC濾波得壓降進入68HC12 EVM Board 輸入A/D，PC端顯溫度情況圖5.10所示，下列為此元件的特性。

型號 : JTD503 R25 ℃= 50KΩ B25~85 =4055

B = (ln R1 - ln R2)/(1/T1-1/T2) T=°K

CON1 1

-40~85 C

RT1

THERMISTOR

+5V

C1 0.1u 1

2 R2

220 2 1

R1 10k 2

圖 5.9 溫度分壓感測電路圖

• 參數計算

以下元件電阻值、經電阻分壓值、轉成A/D值可由元件特性公式計算得知，如表5.5所示。

表 5.5 JTD503 特性值

溫度(℃) 元件電組值經電阻分壓值(V) 轉成A/D值(COUNT) 0 173.8373877k 4.728 968.2944 5 133.0827866k 4.650551955 952.4330404 10 102.8490483k 4.556930249 933.259315 15 80.19823973k 4.445665457 910.4722856 20 63.06909672k 4.315716189 883.8586755 25 50k 4.166666667 853.3333334 30 39.94401063k 3.998878957 818.9704104 35 32.14396989k 3.813590648 781.0233647 40 26.04724544k 3.612931463 739.9283636 45 21.24693782k 3.399843201 696.2878876 50 17.44093486k 3.177904643 650.8348709 55 14.40312697k 2.95108225 604.3816448 60 11.96298899k 2.723442833 557.7610922 65 9.990971902k 2.498870978 511.7687763 70 8.387964572k 2.280830089 467.1140022 75 7.077631412k 2.072193515 424.3852319 80 6.000798714k 1.875155992 384.0319472 85 5.1113k 1.69121783 346.36

• 程式撰寫

我以結構的概念建立溫度對應表，在取內差計算的方式算得出各溫度間的斜率，原理是讀取A/D值對應此表溫度範圍而其再以斜率值算出實際溫度值。

static void Calculate_Temperature(void) {

struct tab_temperature_struct { int atod;

int temperature;

float temperature_atod_ratio;

};

struct tab_temperature_struct tab_temperature[TAB_TEMPERATURE_SIZE] = { {968,0,-31.25},

{952,5,-26.3157894}, {933,10,-21.7391304}, {910,15,-19.2307692}, {884,20,-16.1290322}, {853,25,-14.7058823}, {819,30,-13.1578947}, {781,35,-12.1951219}, {740,40,-11.3636363}, {696,45,-11.1111111}, {651,50,-10.6382978}, {604,55,-10.8695652}, {558,60,-10.8695652}, {512,65,-11.1111111}, {467,70,-11.6279069},

{424,75,-12.5},

{384,80,-13.1578947}, {346,85,0}

};

int i;

if (CLT_AD > 968) {

TEMPERATURE = 0 ; }

for (i=0; i<TAB_TEMPERATURE_SIZE; i++) {

if(CLT_AD>=tab_temperature[i].atod) {

TEMPERATURE = tab_temperature[i].temperature + (((CLT_AD - tab_temperature[i].atod) * tab_temperature[i].temperature_atod_ratio) / 100);

break;

} }

if (i== TAB_TEMPERATURE_SIZE) {

TEMPERATURE=tab_temperature[TAB_TEMPERATURE_SIZE-1].temperature ; }

}

圖 5.10 PC端診斷程式

• 量測誤差比

我以電表讀取值與Thermistor轉換的壓降值做比較得出，表5.6所示。

表 5.6 THERMISTOR 與電表對應值

電表 65℃ 60℃ 55℃ 50℃ 45℃ 40℃ 35℃ 30℃ 25℃ 20℃

A/D 487 524 602 653 703 741 786 827 854 879

量測到溫度 67℃ 63℃ 55℃ 50℃ 44℃ 40℃ 35℃ 29℃ 25℃ 21℃

第六章

整合背光模組系統

此系統整合了七項模組圖 6.1所示分別為電源功應器、PC、微控制器、LED 驅動模組、64PCS LED陣列模組、COLOR SENSOR 模組與低通濾波器，其各微控制器與模組上幾節都有談到，現敘述PC端調校程式其功能為下圖6.2所示通訊由 RS232與EVM做訊號連結，實際背光系統圖6.5所示。

E V M

6 8 H C 1 2

C O T C O A R R A Y L E D

M B I1 8 1 6 D R IV E R

L F

C O L O R S E N S O R

D C 1 6 .5 V

D C 5 V

R S 2 3 2

5 0 -p in in te r fa c e

c a b le

P W M

T E M P E R A T U R E L F

S E N S O R

A /D

圖 6.1 背光模組系統

6.1 PC端調校程式設計

本文之PC端調校程式主體核心沿用Pixcal調校工具圖6.2所示，核心通訊程式與人機界面並無修改，通訊協定採用RS232，Baud Rate為19.2kbps，詳細的Pixcal調校工具功能與人機界面使用方式。本文主要修改處在於改善調校參數的維護流程，

以應對系統發展時常需新增或移除調校參數的需求，增加可自動產生調校參數的C Files、Header Files與MATLAB M-File等三項新功能，以供Target端程式所用，減少人為維護修改所可能導致的錯誤。

圖 6.2 PC端調校程式

6.2 TARGET端調校程式設計

• 通訊程式初始化

本文之調校程式所採用的通訊界面為RS232，本文之Target端以MC9S12之SCI 模組為通訊界面，Baud Rate為19.2Kbps，暫存器設定為SCI0BDH=0，SCI0BDL=78。

在MCU開機時，SCI通訊模組得先進行初始化，以設定與啟動SCI通訊裝置。

程式原始碼之SC_Init()。

• 通訊程式主體

應用於本文之Target端通訊程式原始碼記載，其中RS232ISR()為通訊核心程式的進入點。RS232ISR()為一中斷服務程式，為求減低中斷延遲，此中斷服務程式清除中斷遮罩(CLI())，以讓其餘更緊急的中斷要求，在執行RS232ISR()時仍可被執行。

• 資料錄取(Data Logging)

為了實現變數之同步化Data Logging，Target端的Data Logging函式的執行頻率，需與變數之更新頻率相同，目前系統變數之更新頻率為100Hz，所以Data Logging函式亦需被100Hz的任務所呼叫，關於作業系統任務排程的相關資料。Data Logging函式請參照之SCDataLogRtn()原始碼。

•參數的設定如下

1. K_PWMDTY1~K_PWMDTY8 (輸入DUTY 0~100值可做調整) 2. VR_AD、VG_AD、VB_AD (讀取A/D值)

3. K_REFVR、K_REFVG、K_REFVB (輸入A/D值做回授基底) 上示參數幾個參數在圖 6.4所示皆有用到且可知做用。

6.3 顏色感測回授控制

由COLOR SENSOR讀取的光電轉換值如表所示RGB類比轉數位值，與Target 端調校程式預先設定值做比較，所以設定值與sensor的A/D值做比較，若大於設定值就控制PWM訊號增加DUTY的值，其小於設定值就控制PWM訊號減少DUTY的值，這樣可由COLOR SENSOR讀取的類比轉數位值做光回授的控制圖6.4所示。

• 程式控制方塊

(a)

(b)

圖 6.3 (a)背光源各控制項目 (b)光回授控制方塊圖

背光源控制項目包含(1)顏色的控制(2)光強度的控制(3)PWM DUTY 控制如圖 6.3(a)所示，而顏色的控制是單一調整 PWM DUTY (%)由RGB三色混合光以比例混成各種顏色、光強度調整為同時增減PWM DUTY (%)。

圖6.3(b) 所示控制系統包括MCU之PWM控制器、LED驅動電路、LED背光板、

光強度感測訊號、低通濾波電路做光回授運作，而系統控制概述背光微控制器(User interface、Transformation、PI(s) 、GPC(s) 、PWM(s) )同步連結運作一開始送出PWM 訊號控制LED驅動電路(LED drivers Gd(s))調整電流源使LED背光板發光(RGB Lamp Gl(s))，而光強度感測訊號(Optical coupling CXYZ(s) 、Photo diodes Gpd(s))值經由低通濾波(Low pass filters Glp(s))再回微控制器做處理與分析，再傳送PWM訊號控制驅動電路去調LED亮暗與顏色做回授控制。

• 程式部分的撰寫流程

1 START

AD TO REF =1

Brightness + =1

K_REFVR = VR_AD K_REFVG = VG_AD K_REFVB = VB_AD

false true

RGB PWM <100

R G B PWM + 1 RGB PWM >0

R G B PWM - 1

false false

true true

Feedback On = 1 3

4 R PWM <100

R G B PWM + 1

false false

true true

errorVR = VR_AD - K_REFVR errorVG = VG_AD - K_REFVG errorVB = VB_AD - K_REFVB

errorVR > K_FdbkMIN

&& errorVR <613

errorVR < -K_FdbkMIN

&& errorVR >-613

5 G PWM <100

G PWM + 1

false true

errorVG > K_FdbkMIN

&& errorVG < 613

6 true

false

errorVG < -K_FdbkMIN

&& errorVG > -613

errorVB > K_FdbkMIN

&& errorVB < 613

errorVB < -K_FdbkMIN

&& errorVB >-613

end

end true

false

圖 6.4 程式撰寫回授流程圖

6.4 系統的整合測試

• 目的:

調PWM發各種光、光回授功能。

• 程序:

1. 建立一新軟體專案，其中只包含作業系統程式與10bit A/D驅動程式。

2. PWM=0~100% Duty (頻率設定500HZ) 調整使LED發不同階層的光。

3. 顏色感測模組讀到RGB (Count 數值) 透過 6.3節顏色感測回授控制方式。

4. 驗證結果表 6.1所示與無回授控制時RGB(Count 數值)圖 6.6所示、有回授控制時RGB(Count 數值) 圖 6.7所示。

• 注意事項:

PWM輸出訊號之Duty與A/D有一定水準的準確度。

圖 6.5 實際整體的系統

表 6.1 RGB DUTY (%) 比例調顏色

R DUTY(%) G DUTY(%) B DUTY(%)

紅 100 0 0

橙 90 50 10

黃 100 100 0

綠 0 100 0

藍 0 0 100

白 100 100 100

黑 0 0 0

色光之混合，是將各色光之能量相加，因而眼睛所感受到的是一個加成的光譜，

由MCU端送出PWM(RGB DUTY%比如表6.1所示給LED驅動IC調整陣列LED模組發光顏色與光強度。

色光三原色：紅(R)、綠(G)、藍(B) R+G→Yellow

R+B→Magenta G+B→Cyan R+G+B→白光

• 回授前後的量測結果比較(duty=65)

(a)

(b)

圖 6.6 (a)DUTY =65時無光回授系統(b)轉成比值(613-Y)/613

(a)

(b)

圖 6.7 (a)DUTY = 65時有光回授系統 (b)轉成比值(613-Y)/613

第七章結論

由於LED會受到溫度變化與長時間點滅的影響，會產生各個不同的亮度以及色溫的衰減，因此針對做為背光源的LED維持其穩定光輸出特性的穩定，所以使用光回授補償方式。

在文檔中 LED背光源整合系統設計之色溫管理 (頁 59-0)

第四章 LED驅動設計

4.3 RGB 驅動電路

第 五 章

顏色與溫度感測模組

5.1 顏色模組的尺寸

5.2 顏色模組運用原理

5.3 實際光電轉換量測

5.4 溫度感測

-40~85 C

+5V

第 六 章

整合背光模組系統

E V M

6.1 PC端調校程式設計

6.2 TARGET端調校程式設計

6.3 顏色感測回授控制

(a)

(b)

6.4 系統的整合測試

第 七 章 結論

第五章

第六章

第七章結論