采用MAX44009环境光传感器,轻松控制LCD显示屏亮度

美信社区：
采用 MAX44009 环境光传感器，轻松控制 LCD 显示屏亮度
Ilya Veygman, 应用工程师
摘要：本应用笔记主要讲述采用 MAX44009 环境光传感器控制便携式设备(譬如智能手 机和平板电脑)背光亮度的应用。针对背光亮度调节，本文介绍了两种不同的控制方案。此 外，本文还就如何获得更好的控制效果提供了相关建议，同时也提供了实现本文所述算法 的源代码。
*
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
图 3. CIE 曲线和典型的光电二极管
高集成度解决方案不仅能够获得比人眼光学系统更真实的光强数据，还能够 节省大量空间 MAX44009 等环境光传感器，可将所有信号调节和模/数转换器集 成在一个小封装(2mm x 2mm UTDFN 封装)内，从而在空间受限应用中有效节省电 路板面积。
图 4 提供了 MAX44009 的功能框图，采用 I2C 通信协议，使其与微控制器的 连接方式更简单，数据传输速度更快。除此之外，该解决方案的高集成特性使其 能够置于柔性电缆，安装在离主电路板距离合适的位置。
背光控制：环境光传感器 图 1 是实施背光控制的系统示范框图。在这套组合中，光传感器是关键的组 成部分，因为它要向系统的其他模块提供环境光强信息。光传感器必须具备将光 信号转换成电信号的信号转换器(譬如光电二极管或 CdS 光敏电阻)和信号放大和 /或调节装置以及模/数转换器(ADC)。
图 1. 实施背光控制的系统框图

美信社区：
图 4. MAX44009 功能框图 背光控制：调节显示屏亮度 该控制方案的第二部分是调节显示屏的背光亮度。这可通过多种方式实现， 具体取决于设备中的显示屏模块。有两种最简单的方式，一种是借助脉冲宽度调 制(PWM)方案的直接调节方式，另一种是采用显示屏控制器的间接调节方式。 许多显示屏模块如今都配有一个集成控制器，用户可以通过向控制器发送串 行命令，直接设置背光亮度。如果显示屏模块未配备集成控制器，还可安装一个 简单的背光控制执行器，控制显示屏后面用于背光照明的白光 LED 灯的输入电流。 实现这种控制的一种简单办法是：直接给 LED 串联一个场效应晶体管(FET)，使用 PWM 信号快速打开、关闭 FET (图 5)。然而，也可以利用单一芯片(用于 LED 控 制的 MAX1698 升压转换器)准确、可靠地调节(图 6)，请参考应用笔记 3866 “Low-power PWM output controls LED brightness”，获取详细信息。
uint8 I2C_ReadByte(uint8 slaveAddr, uint8 command, uint8* data);
/**
* Function: getPctBrightFromLuxReading
*
* Arguments: float lux - the pre-computed ambient light level
图 2 所示为分立光电二极管电路，从图中可以看出，该电路需要一个或多个 运算放大器：一个用于电流到电压的转换，可能还需要一级放大，提供附加增益。 它还包括一些分支电路，用于供电，确保高度可靠的信号链。而在空间极其宝贵 的应用中，所需元件的数量过多可能导致空间受限问题。
图 2. 光电二极管电路分立设计
图 8. 步进式亮度调节的算法示例
另一个问题是，系统响应环境光强变化的速度。我们应尽量避免过快地改变 亮度等级。这是因为光强的瞬间变化(譬如一扇窗户打开或瞬间有一束光扫过)可 能导致背光亮度发生不必要的变化，这往往会造成用户感觉不适。并且，较长的 响应时间还有助于减少微控制器对光传感器的检测次数，从而可以释放一定的微 控制器资源。
附录：源代码
#define MAX44009_ADDR 0x96 // begin definition of slave addresses for MAX44009 #define INT_STATUS 0x00 #define INT_ENABLE 0x01 #define CONFIG_REG 0x02 #define HIGH_BYTE 0x03 #define LOW_BYTE 0x04
*
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
图 5. 简单的 PMW 控制电路

美信社区：
图 6. 基于 MAX1698 的 LED 亮度调节器
背光控制：建立连接 最后一步就是在传感器和执行器之间建立连接，通过微控制器实现。有人可 能首先要问：“环境光强如何映射到背光亮度？”事实上，有些文献专门介绍了 相关方案。其中一种映射方式是，Microsoft?针对运行 Windows? 71 操作系统的 计算机提出的。图 7 所示曲线是由 Microsoft 提供的，它可以将环境光强度映射 到显示屏亮度(以全部亮度的百分比表示)。
解决上述问题的方法之一是使用两个光电二极管：一个采用对可见光和红外 光都很敏感的元件，另一个采用只对红外光敏感的元件。最终用前者的响应值减 去后者的响应值，将红外干扰降至最小，获得准确的可见光响应。
这种解决方案虽然有效，却增加了分立电路的占用空间。通常还很难、甚至 不可能让两个分立的光电二极管配合得足够紧密，以实现消除红外干扰的目的。 如果不配备精密放大器(譬如对数放大器)，动态范围可能很小。换句话说，很难 利用这种组合获得可重复的结果。
float desiredBright_pct; // the desired screen brightness, in % of maximum
float stepSize;
// the step size to use to go from the current
// brightness to the desired brightness
方案实施

美信社区：
最好不要从一个亮度级直接跳转到另一个亮度级，而是平滑上调和下调背光 亮度，确保不同亮度等级之间无缝过渡。为了达到这一目的，最好采用带有固定 或不同亮度步长、可逐步调节亮度的定时中断，也可采用带有可控制 LED 输入电 流的 PWM 值的定时中断，或者是能够发送到显示屏控制器的串行指令的定时中 断。图 8 提供了这种算法的一个示例nd - destination register in slave device
*
uint8 *data - pointer data to read from the register
图 7. 将环境光强映射为最佳显示屏亮度的曲线示例
这种特殊曲线可以用以下函数表示：
如果设备采用的是已集成亮度控制功能的 LCD 控制芯片，就可通过向芯片发 送指令，轻松设置背光亮度。如果设备采用的是 PWM 直接控制亮度，则要考虑 如何将比例信号映射至显示屏亮度。
在 MAX1698 示例中，根据其产品说明书的介绍，可以将驱动电流映射为电 压。通过这个示例，我们可以假设 LED 电流强度几乎与其电流呈线性关系。这样， 我们就可以在上述等式中乘上一个系数，计算出 PWM 所映射的有效电压，该电 压再被映射至 LED 电流，最后转化成显示屏亮度。

美信社区：
#define THRESH_HIGH 0x05 #define THRESH_LOW 0x06 #define THRESH_TIMER 0x07 // end definition of slave addresses for MAX44009
extern float SCALE_FACTOR; // captures scaling factors to map from %
brightness to PWM
float currentBright_pct; // the current screen brightness, in % of maximum
最初级的方法就是每隔一两秒钟检查一次光传感器，然后相应地调整背光亮 度。更好的方法是，只有光线强度偏离特定范围一定时间后，才对背光亮度进行 调节。譬如，如果正常光强是 200lux，我们可能只会在光强降到 180lux 以下或 升至 220lux 以上，而且持续时间超过数秒的情况下才调节亮度。幸运的是， MAX44009 集成了中断引脚和阈值寄存器，可轻松实现这个目的。
*
* Returns: ACK bit
*
* Description: Performs necessary functions to get one byte of data from a
*
specified register in a specific device on the I2C bus
**/
引言 环境光传感器(ALS)集成电路正越来越多地用于各种显示器和照明设备，以节 省电能，改善用户体验。借助 ALS 解决方案，系统设计师可根据环境光强度，自 动调节显示屏的亮度。因为背光照明的耗电量在系统的总耗电量中占据很大的比 例，实行动态的背光亮度控制，可节省大量的电能。此外，它还能够改善用户体 验，让显示屏亮度根据环境光条件自行调整到最佳状态。 MAX44009 详情见>> 系统实现需要三大部分：监测环境光强的光传感器、数据处理装置(通常是 微控制器)、控制背光输入电流的执行器。