液晶顯示器背光控制系統(tǒng)設(shè)計

李　艷， 劉俊杰

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安　710021)

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液晶顯示器背光控制系統(tǒng)設(shè)計

李艷， 劉俊杰

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安710021)

摘要：介紹了一種以微控制器STM32F030F4為主控芯片，以LT3598為背光源驅(qū)動芯片的液晶顯示器顯示背光控制系統(tǒng).通過BPW21采集外界環(huán)境亮度和顯示器亮度，采集的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路反饋至微控制器的A/D；同時針對LED發(fā)光效率與溫度之間的關(guān)系，使用微控制器的I2C模塊驅(qū)動溫度傳感器DS18B20，檢測LED工作環(huán)境溫度，反饋到微控制器.微控制器根據(jù)所獲得的亮度差值與溫度采用一定的控制算法，計算出相應的控制量，輸出對應占空比的PWM，控制LT3598的輸出電流，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，最終能達到顯示器亮度與環(huán)境亮度一致的目標.

關(guān)鍵詞：LED背光源; STM32F030F4; LT3598; BPW21; DS18B20

0引言

液晶顯示器(Liquid Crystal Display，簡稱LCD)背景照明主要采用冷陰極熒光燈管 (CCFL)和白光LED(Light Emitting Diode)照明.而LED背光源以其發(fā)光效率高﹑能耗小﹑可靠耐用﹑應用靈活﹑使用壽命長﹑綠色環(huán)保等優(yōu)勢在民用和軍用顯示產(chǎn)品上得到更多應用.

隨著LED背光技術(shù)的不斷成熟，人們對其性能也在不斷進行著改進，讓LED背光技術(shù)發(fā)揮到它最大的效益.在一些特殊情況下對顯示器亮度有著特殊的要求.在野外偵查的士兵所使用的顯示器亮度要與所處環(huán)境相同，以具備自適應能力[1]；高空飛行的飛機其顯示器亮度要求不刺激飛行員眼睛，以免造成意外；手機顯示屏一旦處于黑暗狀態(tài)，在沒有人為操作時，應該處于黑屏，以達到省電的目的.這些都要求顯示器具備自適應調(diào)節(jié)的能力.因此如何保證LCD背景照明光強的自動調(diào)節(jié)是亟待解決的問題.

本文介紹了一種以STM32F030F4微控制器為主控芯片的背景光控制系統(tǒng), 可實時采集環(huán)境光強和背景照明光強及環(huán)境溫度, 自動調(diào)節(jié)背景照明強度, 使LCD 的亮度與環(huán)境亮度保持一致.該系統(tǒng)能運用到家用顯示設(shè)備，如個人電腦顯示器、電視機等，或運用到工業(yè)現(xiàn)場中的顯示設(shè)備，如汽輪機控制系統(tǒng)中監(jiān)控顯示器.

1背光控制原理

LED燈發(fā)光強度與電流基本上成線性關(guān)系，電流越大，發(fā)光強度越大，電流越小，發(fā)光強度越小.另外，LED受溫度影響比較大，溫度過高時它的發(fā)光效率會降低.不同品質(zhì)的LED燈有著自己不同的溫度習性，在一個完整的溫度區(qū)域內(nèi)可將其分為不同的溫度段，進行線性化，這樣可使LED燈的發(fā)光與電流能具有了很好的理論依據(jù).溫度對LED的使用壽命影響也極大，研究表明大功率白光LED的結(jié)溫越高，使用壽命越短[2].根據(jù)以上分析，設(shè)計出背光控制原理圖如圖1所示.其控制原理為：由溫度傳感器采集溫度信號，將采集的信號送入微控制器內(nèi)，微控制器選擇合理的段函數(shù)，同時光傳感器采集外界環(huán)境亮度，將信號進行放大處理等，再進行模數(shù)轉(zhuǎn)換送入微控制器內(nèi)部，微控制器按照一定的運算規(guī)律發(fā)出相應的PWM波控制LED燈的發(fā)光亮度.

圖1　背光控制原理圖

2控制方案設(shè)計

圖2為控制系統(tǒng)控制方案，通過兩個BPW21傳感器分別采集環(huán)境亮度和背光源亮度，分別經(jīng)過濾波放大后接入STM32F030F4的A/D接口.STM32F030F4通過DS18B20采集環(huán)境溫度，分析并計算輸出的占空比驅(qū)動LT3598改變通過背光源LED的電流，從而實現(xiàn)LED的閉環(huán)控制.

圖2　控制方案示意圖

2.1環(huán)境亮度采集

外界環(huán)境亮度通過BPW21來進行測量，BPW21可將外界光亮度轉(zhuǎn)換為電流信號，在完全黑暗條件下輸出為2 nA，其環(huán)境亮度感知范圍約為0至500 0lx，最大值由LM324輸出最大值(飽和電壓)決定.BPW21對環(huán)境亮度進行采集[3]，采集后信號經(jīng)濾波放大電路處理后送入微控制器STM32F030F4內(nèi)部A/D中進行轉(zhuǎn)換.

2.2LED工作環(huán)境溫度采集

盡管LED燈發(fā)光與電流成線性關(guān)系，但由于LED發(fā)光效率受工作環(huán)境溫度限制，對于不同溫度范圍內(nèi)LED的發(fā)光效率有所不同，但在相對范圍內(nèi)還可以看作線性關(guān)系，只不過在線性斜率上有所不同，所以需要對工作環(huán)境溫度進行檢測[4].本系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20來進行溫度采集，采集后信號送入微控制器內(nèi)部，微控制器選擇合適的段函數(shù)經(jīng)CPU處理，產(chǎn)生相對應的PWM波，來控制電流大小.

2.3背光源驅(qū)動

背光源的種類很多，從電源方式上說有直流電源方式和交流電源方式，從供電模式上可分為，橫流、恒壓和恒功率型三種[5].本系統(tǒng)采用恒流源模式進行控制.

系統(tǒng)采用專門的背光源驅(qū)動芯片LT3598，正常工作時它接收到微控制器內(nèi)部發(fā)出的PWM波，根據(jù)PWM 波的占空比大小來決定輸出電流的大小.系統(tǒng)中LT3598共驅(qū)動30只LED燈，驅(qū)動最大電流為20 mA[6].LT3598有六個驅(qū)動口，兩個驅(qū)動口驅(qū)動一串10只的LED燈條，則通過LED燈燈條的最大電流為40 mA.

2.4顯示器亮度檢測設(shè)計

由于要求顯示器的亮度與外界環(huán)境亮度一致，所以需要檢測顯示器亮度.用BPW21對LED發(fā)光源發(fā)光亮度進行數(shù)據(jù)采集，將采集數(shù)據(jù)進行濾波放大處理后，再進行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)與基準值進行比較，看有無差值，有則再進行控制，無則繼續(xù)保持，等待下一循環(huán).設(shè)定值為前一時刻環(huán)境亮度對應的二進制數(shù)，LED背光源亮度對應的二進制數(shù)為實際值，通過兩者差值，得出微控制器控制的依據(jù)，通過算法來控制PWM波占空比[7].

3硬件電路設(shè)計

圖3為硬件總體框架圖，控制系統(tǒng)硬件部分主要包括：微控制器主控模塊、鍵盤模塊、溫度檢測模塊、環(huán)境亮度檢測模塊、LED背光驅(qū)動模塊等組成.由框圖3可見，本系統(tǒng)以微控制器STM32F030F4為控制核心，外擴鍵盤輸入，傳感器輸入等外圍電路實現(xiàn).環(huán)境亮度由BPW21測得，信號經(jīng)處理后，再由DS18B20測得溫度后，確定所采用的段函數(shù)，經(jīng)CPU處理，產(chǎn)生相對應的PWM波，來控制電流大小，LED背光驅(qū)動采用LT3598芯片.

圖3　系統(tǒng)硬件電路圖

3.1系統(tǒng)主控模塊器件的選型設(shè)計

主控芯片采用微控制器STM32F030F4采用ARM Cortex-M0內(nèi)核，運算速度高達48 MHz.STM32F030F4是STM32系列中價格最低的產(chǎn)品，單價僅為32美分，具有全套外設(shè)，例如高速12位ADC,并且具有片內(nèi)校準功能，保證了LCD亮度的高精度動態(tài)調(diào)節(jié).4個16位定時器,具有I2C、USART和SPI通信接口.采用模擬和數(shù)字分開供電, 減少數(shù)字信號和模擬信號之間的干擾[8].

3.2亮度檢測電路的設(shè)計

圖4為亮度檢測電路，采用BPW21實現(xiàn)對環(huán)境亮度和顯示器亮度的測量，它將采集來的信號傳遞給放大電路，經(jīng)放大處理后，送入微控制器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換.由于控制目標是保證顯示器亮度與環(huán)境亮度一致，所以，上一時刻采集的環(huán)境亮度作為下一時刻控制的目標值，下一時刻采集的顯示器亮度作為實際值，兩者的差值經(jīng)CPU處理[9]，CPU發(fā)出指令，產(chǎn)生控制信號，向LT3598發(fā)出PWM實現(xiàn)控制目標.

圖5為亮度信號處理電路，由BPW21采集的信號，需要經(jīng)過放大濾波處理后，再送入微控制器內(nèi)部的A/D進行轉(zhuǎn)換.運算放大器采用LM324，BPW21采集的信號較弱，因此需要先放大再濾波后送入微控制器內(nèi)部.

圖4　亮度檢測電路

圖5　亮度信號處理電路

3.3背光驅(qū)動電路設(shè)計

LT3598是凌力爾特公司推出的45 V、2.5 MHz DC/DC升壓模式轉(zhuǎn)換器，該器件作為恒定電流LED驅(qū)動器工作，可用于多達60只白光LED的驅(qū)動.LT3598可以驅(qū)動多達6個LED串，每串具有多達10只串聯(lián)的30 mA白光LED，同時提供高達90%的效率.其多通道能力使該器件非常適合于中等尺寸的TFT-LCD背光照明應用.

LT3598在工作時，開關(guān)頻率很高，在開關(guān)斷開時系統(tǒng)應仍能保持芯片內(nèi)部正常工作，電感作為儲能原件，為芯片提供能量.為了保證供電電源的穩(wěn)定，選擇電感有幾個問題需要解決：第一，電感量必須足夠大,這樣才能保證開關(guān)管截止期間，能向負載供應足夠的能量.第二，電感必須能承受一定的峰值電流而不至于飽和，甚至損壞；第三，電感的直流電阻值應盡量小，以便電感本身的功率損耗(I2R)最小化.在本系統(tǒng)中采用鐵氧體磁芯電感，其電感值在4.7～22μH可以滿足大多數(shù)應用場合的需要[10].

電容有濾波作用，在輸出端應用低等效串聯(lián)電阻(ESR)值的陶瓷電容，以盡量減少紋波電壓.對于LT3598電路，一個4.7～10μF的輸出電容就可以滿足大多數(shù)高輸出電流的設(shè)計要求.

LT3598本身就具有升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能，其正常工作開關(guān)頻率設(shè)置在200 KHz～2.5 MHz之間，就可以很好地工作.用其RT引腳外接電阻的阻值來調(diào)控高頻開關(guān)頻率的大小.本系統(tǒng)中，LT3598的RT外接電阻R8阻值為51.1 KΩ，DC/DC轉(zhuǎn)換器工作的開關(guān)頻率為1 MHz.圖6為LT3598最大輸出電壓模塊電路.

圖6　LT3598最大輸出電壓模塊

最大輸出電壓，可用如下公式求得：

(1)

通過設(shè)置外接電阻R11和R12的阻值大小就可以確定最大輸出電壓，要求輸出電壓應略高于LED串正常工作電壓.當LED工作電壓超過設(shè)定的Vout(max)時，過壓保護電路就啟動，以便DC/DC轉(zhuǎn)換器降低輸出電壓.

根據(jù)實際應用需要，通過設(shè)置Iset引腳外接電阻R15的阻值大小(選取阻值范圍為10～100 KΩ可滿足此驅(qū)動電路正常工作)，就可以設(shè)定流過LED串的電流大小，實驗測得流過LED串電流大小估算公式為：

(2)

其中ILED表示流過LED的電流大小，R15為14.7 KΩ，故最大電流為20 mA.設(shè)定ILED越大，LT3598本身功耗越高，若ILED=30 mA，PWM調(diào)光占空比為100 %，此時LT3598功耗至少在144 mW以上.通過PWM來改變其輸出的LED電流大小來改變LED的亮度，實現(xiàn)對顯示器亮度和對比度的調(diào)節(jié).

對于一個有6個線性電流源的單一升壓轉(zhuǎn)換器，對6串LED供電,LED串的電壓不匹配都將造成功率的額外耗散，引起驅(qū)動電路過熱.并且環(huán)境溫度高，會導致IC溫度升高.因此，設(shè)計時需要考慮發(fā)熱因素的影響.

熱回路的運行過程簡單，環(huán)境溫度升高時，驅(qū)動IC內(nèi)部結(jié)溫也升高.一旦溫升達到設(shè)定的最大結(jié)溫，LT3598開始線性地降低LED電流，并根據(jù)實際需要，盡量保持在該溫度水平.若環(huán)境溫度越過設(shè)定的最大結(jié)溫后繼續(xù)升高，LED電流將減小到大約全部LED電流的5%.因此，設(shè)計時要考慮到具體的環(huán)境溫度，避免環(huán)境溫升過高而影響電路正常工作.圖7為熱保護電路，在LT3598的Tset引腳接一個電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R13和R14，適當選擇R13和R14的比值,就可確定需要設(shè)定的最大結(jié)溫值.

圖7　LT3598的熱保護設(shè)計電路

圖8為LT3598背光源驅(qū)動電路，應用LT3598可用兩種不同類型的調(diào)光模式進行調(diào)光，一種是模擬調(diào)光，另一種是PWM調(diào)光[11].本系統(tǒng)采用控制PWM波的形式來控制電流的大小來對LED的發(fā)光亮度進行調(diào)節(jié).本系統(tǒng)將最大輸出電流設(shè)為20 mA，根據(jù)LT3598電流公式可得，RIset值為14.7 KΩ.且其輸出具有很高的精度，受溫度影響也極小.

圖8　LT3598背光源驅(qū)動電路

4軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計.本系統(tǒng)采用增量式PID進行PID運算.增量式PID建立在對位置式PID進行改進的基礎(chǔ)之上，克服了位置式PID對所有過去狀態(tài)的依賴．降低了因微控制器故障導致PID誤輸出給系統(tǒng)帶來嚴重后果的影響.在微控制器具體的實現(xiàn)過程如下：

首先進行系統(tǒng)初始化，包括初始化系統(tǒng)時鐘、GPIO時鐘、ADC時鐘和PWM時鐘，配置GPIO、ADC和PWM參數(shù)等.初始化PID結(jié)構(gòu)體.讀取溫度和ADC數(shù)據(jù).根據(jù)溫度設(shè)定當前Kp、KI、KD系數(shù).計算背景亮度和環(huán)境亮度的誤差.根據(jù)計算的輸出量來更新PWM占空比.圖9為背光調(diào)整軟件流程.

計算PID輸出量的過程實現(xiàn)如下，根據(jù)微控制器STM32F030F4自帶的ADC對當前采集的背光和環(huán)境光強進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，并計算背光和環(huán)境光強的誤差，根據(jù)本次誤差，上一次差值和上上一次誤差做PID運算.由于發(fā)光效率與環(huán)境溫度有關(guān)，因此需要根據(jù)每次讀取的環(huán)境溫度選擇合適的PID參數(shù).公式(3)為計算每次的PID增量.

Δu(kT)=Δ1+Δ2+Δ3

(3)

其中，

Δ1=Kp[e(kT)-e(kT-T)]

(4)

Δ2=KIe(kT)

(5)

Δ3=KD[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]

(6)

最終PID輸出量為：

u(kT)=u(kT-T)+Δu(kT)

(7)

其中，u(kT-T)為上一次PID輸出量，e(kT)為本次誤差，e(kT-T)為上一次誤差，e(kT-2T)為上上一次誤差.KP、KI、KD分別為比例、積分和微分系數(shù).在每次計算完P(guān)ID輸出量后需要保存當前誤差和上一次誤差，即：

e(kT-2T)=e(kT-T)

(8)

e(kT-T)=e(kT)

(9)

圖9　控制算法與流程

5結(jié)論

本調(diào)光控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)液晶顯示器亮度的自動調(diào)節(jié)，并有效保證LCD亮度與環(huán)境亮度一致.環(huán)境亮度變化后人眼無不舒服的感覺，消除了因環(huán)境光強變化引起的視覺疲勞.另外，本系統(tǒng)采用廉價的STM32F030F4為控制芯片，在硬件設(shè)計上節(jié)省了A/D轉(zhuǎn)換模塊，使設(shè)計變得簡潔，節(jié)省了成本.采用增量式的PID算法并根據(jù)環(huán)境溫度修正PID參數(shù)，能提高調(diào)光效率，并能保證發(fā)光強度變化的連續(xù)性.該系統(tǒng)能運用到家用顯示設(shè)備，如個人電腦顯示器、電視機等，或運用到工業(yè)現(xiàn)場中的顯示設(shè)備，如汽輪機控制系統(tǒng)中監(jiān)控顯示器.

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The desgin of LCD display backlight control system

LI Yan， LIU Jun-jie

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China))

Abstract:Introduce a kind of micro controller STM32F030F4 as main control chip, using LT3598 as the backlight of LCD driver display backlight control system.Through the BPW21 collection of the brightness of the external environment and the brightness of the display,collected by signal feedback to the micro controller A/D;the relationship between efficiency and LED emission temperature,drive temperature sensor DS18B20 module using the I2C micro controller,detection of LED working environment temperature,feedback to the microcontroller.The micro controller according to the brightness difference and temperature obtained using a control algorithm,calculate the corresponding control variable,the corresponding output duty cycle PWM,output current control LT3598,so as to form a closed loop control system,will eventually reach the display brightness and the brightness of the environment consistent goal.

Key words:LED blacklight; STM32F030F4; LT3598; BPW21; DS18B20

中圖分類號：TP29

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)02-0159-06

作者簡介:李艷(1972-)，女，四川仁壽人,副教授，研究方向:工業(yè)自動化

基金項目：陜西省科技廳科學技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2013k07-28)

收稿日期:*2015-01-17