一款基于XMC1200的LED智能調光設計

【導讀】英飛凌新一代XMC1200系列MCU將Cortex-M0內核與尖端的65nm制程技術結合在一起，內建了亮度與色彩控制單元，可以對LED的進行智慧調光，實現亮度的指數調節，色彩的線性調節，同時可以避免低頻時候產生的閃爍現象，有效的保護人眼。

目前廣泛使用的LED調光方式主要為模擬的恒流控制方法和PWM控制，存在控制復雜、功能單一、且容易產生閃爍的缺點。針對上述挑戰，英飛凌公司推出了新一代XMC1200系列MCU。它將ARM Cortex-M0內核與尖端的65nm制程技術結合在一起，克服了8位設計的限制，使當前的8位用戶有機會享受32位性能，而無需在價格或易用性方 面付出代價。XMC1200的FLASH容量從16KB- 200KB不等，16K SRAM，內核主頻32M Hz，12bit ADC。特別的，XMC1200內建了亮度與色彩控制單元(BCCU)，專門針對LED智能調光應用。

圖 1 XMC1200系列MCU資源

基于XMC1200 BCCU的智能調光方案

XMC1200內建的亮度與色彩控制單元(BCCU)可以實現對LED亮度和色彩的全數字控制，可實現以下關鍵特性：

1) 自動消除低頻閃爍

2) 自動色彩變化控制

3) 智慧的柔和調光控制

方案優勢:

XMC1200作為單芯片解決方案，可以節省大量的CPU開銷，大幅降低軟件開發的時間，有效的減少人為導致的軟件錯誤風險。同時XMC1200系列MCU具有高性能、大容量，高可靠性的特點，可以把智慧調光廣泛的應用于生活、工業的各個方面。

第一頁：XMC1200 BCCU的智能調光方案

第二頁：RGB LED調光的電路圖

第三頁：線性調光器和Sigma Delta調制器

第四頁：閃爍看門狗/打包器

圖2為利用XMC1200實現1組RGB LED調光的電路圖。

從上圖可以看出，在XMC1200的BCCU中，主要引入了以下模塊：

1) 指數型調光引擎

人眼對于光強的感知實際是對光振動的振幅的感知，而光的強度和振幅的平方成正比，這就導致人眼對光強的線性變化無法做出線性的感知，而是會產生近似對數的關系。為此，如果需要讓人眼感知到線性的變化，則需要讓光強按照指數型改變。

為了解決這種難題，BCCU創新的增加了指數型調光模塊，使得光強可以自動的按照指數規律變化，從而達到對人眼的感知的線性變化，從而達到柔和調光的效果。指數型調光的模塊和原理如圖3。

代碼實現

{

// 指數型調光引擎0,終值0xABC寫入影子寄存器

WR_REG((BCCU0->DL0,BCCU_DL0_DLEV_Msk,BCCU_DL0_DLEV_Pos,0xABC);

// 調整指數型調光變化速率為0xCBA

WR_REG((BCCU0->DTT0,BCCU_DTT0_DIMDIV_Msk,BCCU_DTT0_DIMDIV_Pos,0xCBA);

// 指數型調光引擎0,終值寫入

SET_BIT(BCCU0->DESTRCON,BCCU_DESTRCON_DE0S_Pos);

// 打開BCCU指數型調光引擎0

SET_BIT(BCCU0->DEEN,BCCU_DEEN_EDE0_Pos);

｝

第一頁：XMC1200 BCCU的智能調光方案

第二頁：RGB LED調光的電路圖

第三頁：線性調光器和Sigma Delta調制器

第四頁：閃爍看門狗/打包器

2) 線性調光器

BCCU 中引入了線性調光器，特性可以根據亮度目標值和變化時長，生成線性變化的亮度輸出，從而達到線性調整色彩的目的。改特性在RGB三色調光方面有特別的優 勢，若設定RGB三通道變化時長一致，則可以達到同步進行三色調節的目的，輕松的實現三色混合。在圖4中，RGB三色同一時刻開始變化，并在同一時刻達到 變化終點，它們的合成顏色在三色空間中表現為一條直線。

代碼實現

{

// 設置BCCU信道0的線性調光速率為0xCBA

WR_REG(BCCU0->INTS0,BCCU_CHCONFIG0_LINPRES_Msk,BCCU_CHCONFIG0_LINPRES_Pos，0xCBA);

// 設置調光終點為0xABC,寫入影子寄存器

WR_REG(BCCU0->INTS0,BCCU_INTS0_TCHINT_Msk,BCCU_INTS0_TCHINT_Pos，0xABC);

// 線性調光終值寫入

SET_BIT(BCCU0->CHSTRCON,BCCU_CHSTRCON_CH0S);

｝

3) Sigma Delta調制器

通過開關LED，能夠使得LED發出一定的光亮，若切換速度足夠快，則人眼將感知不到LED的開關，達到連續發光的目的，而LED的亮度則取決于開通的平均時間。

BCCU中內置了Sigma Delta調制器，用于將亮度數值變換為比特流，產生快速開關的脈沖密度調制信號(PDM)，通過這個信號來控制LED的開關。

大家比較熟知的開關信號有PWM，PDM和PWM的區別可以參考圖5，在相同的較長時長內，PDM和PWM信號有相同的開通時間，但PWM表現為周期恒定，脈寬變化，但PDM則表現為周期不恒定，但脈寬相同。

相比來說BCCU中提供的PDM具有較高的頻率，可以達到較高的分辨率，EMI特性更好，同時因頻率較高，更不易產生低頻閃爍。

第一頁：XMC1200 BCCU的智能調光方案

第二頁：RGB LED調光的電路圖

第三頁：線性調光器和Sigma Delta調制器

第四頁：閃爍看門狗/打包器

4) 閃爍看門狗/打包器

研究報告指出，人眼感官能夠感知的變化為45.8HZ以內，低于這個頻率閃爍，會引起人眼的不適，高于這個頻率的閃爍，雖然不會被人眼感知到，但是仍舊會對人體產生神經性的影響，比如流行的護眼燈，頻率都在100Hz以上，這樣才能保證對人體影響較小。

在BCCU中，提供了一個自動的低頻看門狗特性，通過提前設定好信號間的間隔時間，若間隔時間過大，則看門狗會自動加入開通信號，保證開關頻率不低于設定的最小值，從而從原理上消除了低頻閃爍的產生。閃爍看門狗原理如圖6

在LED的驅動中，需要保證最小開通時間，即在最短的一段時間內，需要保持開通信號恒定。BCCU中提供了一個打包器用于完成這一功能。

看門狗配合打包器使用，就可以既保證了最小開通時間，同時又能保證不產生低頻閃爍。

代碼實現

{

// 設定閃速看門狗的門限為0xABC

WR_REG(BCCU0->GLOBCON,BCCU_GLOBCON_WDMBN_Msk,BCCU_GLOBCON_WDMBN_Pos,0xABC);

// 打開BCCU通道0的閃爍看門狗

SET_BIT(BCCU0->CHCONFIG0,BCCU_CHCONFIG0_WEN_Pos);

// 設定BCCU通道0的打包器門坎為0xA

WR_REG(BCCU0->CHCONFIG0,BCCU_CHCONFIG0_PKTH_Msk,BCCU_CHCONFIG0_PKTH_Pos，0xA);

// 打開BCCU通道0的打包器

SET_BIT(BCCU0->CHCONFIG0,BCCU_CHCONFIG0_PEN_Pos);

｝

總結

綜上所述，通過使用內建BCCU單元的XMC1200系列MCU，可以對LED的進行智慧調光，實現亮度的指數調節，色彩的線性調節，同時可以避免低頻時候產生的閃爍現象，有效的保護人眼。

XMC1200作為上述特性的單芯片解決方案，可以節省大量的CPU開銷，大幅降低軟件開發的時間，有效的減少人為導致的軟件錯誤風險。同時XMC1200系列MCU具有高性能、大容量，高可靠性的特點，可以把智慧調光廣泛的應用于生活、工業的各個方面。