能轻松控制LCD显示屏亮度的环境光传感器（附源代码）
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。
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。
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。
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
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
这里还存在一个更细微的问题。具体而言，理想情况下，应确保环境光的测量模拟了人眼对光线的响应机制。这通常借助CIE提供的视觉亮度曲线(图3)。然而，光电二极管很少能够完全模拟这种响应机制，因为它们通常具有很高的红外(IR)灵敏度。在IR强度较大的光照条件(譬如白炽灯或日光)下，这种红外灵敏度会造成错误地判断光线强度。
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。
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。
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。
图5. 简单的PMW控制电路
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)。
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。
方案实施
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。
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。
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。
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
#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
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
uint8 lightReadingCounter;
/**
* Function: SetPWMDutyCycle
*
* Arguments: uint16 dc - desired duty cycle
*
* Returns: none
*
* Description: Sets the duty cycle of a 16-bit PWM, assuming that in this
* 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
* uint8 command - destination register in slave device
* uint8 data - data to write to the register
*
* Returns: ACK bit
*
* Description: Performs necessary functions to send one byte of data to a
* 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
* uint8 command - destination register in slave device
* uint8 *data - pointer data to read from the register
*
* 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
**/
uint8 I2C_ReadByte(uint8 slaveAddr, uint8 command, uint8* data);
/**
* Function: getPctBrightFromLuxReading
*
* Arguments: float lux - the pre-computed ambient light level
*
* Returns: The % of maximum brightness to which the backlight should be set
* given the ambient light (0 to 1.0)
*
* Description: Uses a function to map the ambient light level to a backlight
* brightness by using a predetermined function
**/
float getPctBrightFromLuxReading(float lux);
/**
* Function: mapPctBrighttoPWM
*
* Arguments: float pct
*
* Returns: PWM counts needed to achieve the specified % brightness (as
* determined by some scaling factors)
**/
uint16 mapPctBrighttoPWM(float pct);
/**
* Function: getLightLevel
*
* Arguments: n/a
*
* Returns: the ambient light level, in lux
*
* Description: Reads both the light registers on the device and returns the
* computed light level
**/
float getLightLevel(void);
/**
* Function: stepBrightness
*
* Arguments: n/a
*
* Returns: n/a
*
* Description: This function would be called by an interrupt. It looks at the
* current brightness setting, then the desired brightness setting.
* If there is a difference between the two, the current brightness
* setting is stepped closer to its goal.
**/
void stepBrightness(void);
/**
* Function: timerISR
*
* Arguments: n/a
*
* Returns: n/a
*
* Description: An interrupt service routine which fires every 100ms or so. This
* handles all the ambient light sensor and backlight
* control code.
**/
void timerISR(void);
void main() {
SetupMicro(); // some subroutine which initializes this CPU
I2C_WriteByte(MAX44009_ADDR, CONFIG_REG, 0x80); // set to run continuously
lightReadingCounter = 0;
stepSize = .01;
currentBright_pct = 0.5;
desiredBright_pct = 0.5;
SetPWMDutyCycle(mapPctBrighttoPWM(currentBright_pct));
InitializeTimerInterrupt(); // set this to fire every 100ms
while(1) {
// do whatever else you need here, the LCD control is done in interrupts
Idle();
}
} // main routine
// the point at which the function clips to 100%
#define MAXIMUM_LUX_BREAKPOINT 1254.0
float getPctBrightFromLuxReading(float lux) {
if (lux > MAXIMUM_LUX_BREAKPOINT)
return 1.0;
else
return (9.9323*log(x) + 27.059)/100.0;
} // getPctBrightFromLuxReading
uint16 mapPctBrighttoPWM(float pct) {
return (uint16)(0xFFFF * pct * SCALE_FACTOR);
} // mapPctBrighttoPWM
float getLightLevel(void) {
uint8* lowByte;
uint8* highByte;
uint8 exponent;
uint8 mantissa;
float result;
I2C_ReadByte(MAX44009_ADDR, HIGH_BYTE, highByte);
I2C_ReadByte(MAX44009_ADDR, LOW_BYTE, lowByte);
exponent = (highByte & 0xF0) >> 4;// upper four bits of high byte register
mantissa = (highByte & 0x0F) << 4;// lower four bits of high byte register =
// upper four bits of mantissa
mantissa += lowByte & 0x0F; // lower four bits of low byte register =
// lower four bits of mantissa
result = mantissa * (1 << exponent) * 0.045;
return result;
} //getLightLevel
void stepBrightness(void) {
// if current is at desired, don''t do anything
if (currentBright_pct == desiredBright_pct)
return;
// is the current brightness above the desired brightness?
else if (currentBright_pct > desiredBright_pct) {
// is the difference between the two less than one step?
if ( (currentBright_pct-stepSize) < desiredBright_pct)
currentBright_pct = desiredBright_pct;
else
currentBright_pct -= stepSize;
} // else if
else if (currentBright_pct < desiredBright_pct) {
// is the difference between the two less than one step?
if ( (currentBright_pct+stepSize) > desiredBright_pct)
currentBright_pct = desiredBright_pct;
else
currentBright_pct += stepSize;
} // else if
SetPWMDutyCycle(mapPctBrighttoPWM(currentBright_pct));
return;
} // stepBrightness
void timerISR(void) {
float lux;
float pctDiff;
stepBrightness();
if (lightReadingCounter)
lightReadingCounter--;
else {
lightReadingCounter = 20; // 2 second delay
lux = getLightLevel();
desiredBright_pct = getPctBrightFromLuxReading(lux);
pctDiff = abs(desiredBright_pct - currentBright_pct);
stepSize = (pctDiff <= 0.01) ? 0.01:pctDiff/10;
} // else
ClearInterruptFlag();
} // timerISR
