采用MAX44009环境光传感器，轻松控制LCD显示屏亮度

　　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。MAX9635、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I?C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? 7?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，MAX9635和MAX44009都集成了中断引脚和阈值寄存器，可轻松实现这个目的。请参考应用笔记4786“MAX9635环境光传感器的接口程序”，获取更多详细信息。

　　附录：源代码

#define MAX44009_ADDR0x96// begin definition of slave addresses for MAX44009#define INT_STATUS0x00#define INT_ENABLE0.01#define CONFIG_REG0x02#define high_BYTE0x03#define LOW_BYTE0x04#define THRESH_HIGH0x05#define THRESH_LOW0x06#define THRESH_TIMER0x07// end definition of slave addresses for MAX44009 extern float SCALE_FACTOR;// captures scaling factors to map from % brightness to PWMfloat currentBright_pct;// the current screen brightness, in % of maximumfloat desiredBright_pct;// the desired screen brightness, in % of maximumfloat stepSize;// the step size to use to go from the current // brightness to the desired brightnessuint8 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 deviceon 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 CPUI2C_WriteByte(MAX44009_ADDR, CONFIG_REG, 0x80);// set to run continuouslylightReadingCounter = 0;stepSize = .01;currentBright_pct = 0.5;desiredBright_pct = 0.5;SetPWMDutyCycle(mapPctBrighttoPWM(currentBright_pct));InitializeTimerInterrupt();// set this to fire every 100mswhile(1) {// do whatever else you need here, the LCD control is done in interruptsIdle();}} // main routine // the point at which the function clips to 100%#define MAXIMUM_LUX_BREAKPOINT1254.0float getPctBrightFromLuxReading(float lux) {if (lux > MAXIMUM_LUX_BREAKPOINT)return 1.0;elsereturn (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 registermantissa = (highByte & 0x0F) << 4;// lower four bits of high byte register =    // upper four bits of mantissamantissa += lowByte & 0x0F;   // lower four bits of low byte register =   // lower four bits of mantissaresult = mantissa * (1 << exponent) * 0.045;return result;} //getLightLevel void stepBrightness(void) { // if current is at desired, don't do anythingif (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;elsecurrentBright_pct -= stepSize;} // else ifelse 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;elsecurrentBright_pct += stepSize;} // else ifSetPWMDutyCycle(mapPctBrighttoPWM(currentBright_pct));return;} // stepBrightness void timerISR(void) {float lux;float pctDiff;stepBrightness();if (lightReadingCounter)lightReadingCounter--;else {lightReadingCounter = 20;// 2 second delaylux = getLightLevel();desiredBright_pct = getPctBrightFromLuxReading(lux);pctDiff = abs(desiredBright_pct - currentBright_pct);stepSize = (pctDiff <= 0.01) ? 0.01:pctDiff/10;} // elseClearInterruptFlag();} // timerISR