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一種用于座艙顯示器的直下式RGB LED背光驅動技術
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; 通過對背光源驅動電路的設計,使用CAN 總線通訊,實現了顯示器背光模塊的光強根據周圍環(huán)境光的三原色光強或用戶喜好自動或手動調節(jié)。該設計能更好地滿足座艙內用戶的需求。
Abstract:
Key words :

  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; 通過對背光源驅動電路的設計,使用CAN 總線通訊,實現了顯示器背光模塊的光強根據周圍環(huán)境光的三原色光強或用戶喜好自動或手動調節(jié)。該設計能更好地滿足座艙內用戶的需求。

引言

  為使座艙內的用戶隨時得到準確、可靠的信息,座艙內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,顯示器的光強還應能根據周圍環(huán)境和用戶需求進行調整,避免用戶在環(huán)境光很強時看不清顯示內容,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)及軍事等領域。而LED 背光源是國家863 重點攻關課題,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。

  本文設計了一種將LED 背光源運用到座艙顯示器的驅動電路,其中采用了國際上較為領先的直下式RGB LED 背光驅動技術,并將背光模塊分區(qū),利用CAN 總線技術保證有效通訊; 電路的設計使顯示器背光模塊的光強能夠根據環(huán)境光的三原色光強或用戶喜好自動或手動調節(jié)。該設計能夠更好地滿足座艙內用戶的觀看需求。

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光式和直下式; 按LED 種類可分為RGB LED 與白光LED。與側光式背光源相比,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)域調整技術,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 顯示器結構示意圖。

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,然后根據環(huán)境光的強度分別調節(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定的,ki和bi都大于0,其值存儲在單片機中,并可以根據用戶的需要改變。

  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 驅動集成電路輸出相應的PWM 信號,從而實現背光模塊的光強能根據周圍環(huán)境光的照度自動調節(jié)。

  1. 3 手動調節(jié)光強度

  如果用戶對自動調節(jié)的光強不滿意,可根據個人喜好手動調節(jié)背光模塊的光強。背光模塊調節(jié)前的三原色光強為yi,經人工調節(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,在電路中設置了bmini和kmini。比較b'i和bmini,將較大的值作為調整后的bi值存入電路中; 比較k'i和kmini,將較大的值作為調整后的ki值存入單片機中。從而完成對背光模塊光強和環(huán)境光強度之間關系的修改。

  系統(tǒng)初始化時設定bi和ki的初始值為bsi和ksi,并存儲到單片機內,用戶可以通過按鍵使bi和ki還原到bsi和ksi。

2 驅動和檢測電路

  座艙式顯示設備主要集中在中尺寸,本文設計的是7 寸液晶顯示器的背光驅動電路。檢測和驅動部分的電路原理圖如圖2 所示。

圖2 檢測和驅動部分的原理圖

  電路中采用STC12C5624AD 單片機作為控制模塊; 采用National Semiconductor 生產的LM 2733 升壓電源,分別驅動紅、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,本設計采用CAN 總線通訊。CAN 網絡是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡,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場總線之一。由于其設計成本低、通訊可靠性高,廣泛應用于控制系統(tǒng)中各檢測和執(zhí)行機構之間的數據通信。

  將單片機、三原色傳感器、溫度傳感器、LED 驅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。本設計采用的傳輸速率為500kbps。

4 結論

  以上通過對液晶顯示器背光源進行調研,結合座艙環(huán)境對顯示器的要求,設計了一種用于座艙的直下式RGB LED 背光驅動電路,它能自動或手動調節(jié)顯示器背光源的亮度。經測試使用,采用本設計技術的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。

  由于本設計采用分區(qū)設計,其背光電路設計方案也可用于大尺寸液晶顯示器中。

 

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