引言
環境光傳感器（ALS）集成電路正越來越多地用于各種顯示器和照明設備，以節省電能，改善用戶體驗。借助ALS解決方案，系統設計師可根據環境光強度，自動調節顯示屏的亮度。因為背光照明的耗電量在系統的總耗電量中占據很大的比例，實行動態的背光亮度控制，可節省大量的電能。此外，它還能夠改善用戶體驗，讓顯示屏亮度根據環境光條件自行調整到最佳狀態。
系統實現需要三大部分：監測環境光強的光傳感器、數據處理裝置（通常是微控制器）、控制背光輸入電流的執行器。
背光控制：環境光傳感器
圖1是實施背光控制的系統示范框圖。在這套組合中，光傳感器是關鍵的組成部分，因為它要向系統的其他模塊提供環境光強信息。光傳感器必須具備將光信號轉換成電信號的信號轉換器（譬如光電二極管或CdS光敏電阻）和信號放大和/或調節裝置以及模/數轉換器（ADC）。
圖1. 實施背光控制的系統框圖
圖2所示為分立光電二極管電路，從圖中可以看出，該電路需要一個或多個運算放大器：一個用于電流到電壓的轉換，可能還需要一級放大，提供附加增益。它還包括一些分支電路，用于供電，確保高度可靠的信號鏈。而在空間極其寶貴的應用中，所需元件的數量過多可能導致空間受限問題。
圖2. 光電二極管電路分立設計
這里還存在一個更細微的問題。具體而言，理想情況下，應確保環境光的測量模擬了人眼對光線的響應機制。這通常借助CIE提供的視覺亮度曲線（圖3）。然而，光電二極管很少能夠完全模擬這種響應機制，因為它們通常具有很高的紅外（IR）靈敏度。在IR強度較大的光照條件（譬如白熾燈或日光）下，這種紅外靈敏度會造成錯誤地判斷光線強度。
解決上述問題的方法之一是使用兩個光電二極管：一個采用對可見光和紅外光都很敏感的元件，另一個采用只對紅外光敏感的元件。最終用前者的響應值減去后者的響應值，將紅外干擾降至最小，獲得準確的可見光響應。
這種解決方案雖然有效，卻增加了分立電路的占用空間。通常還很難、甚至不可能讓兩個分立的光電二極管配合得足夠緊密，以實現消除紅外干擾的目的。如果不配備精密放大器（譬如對數放大器），動態范圍可能很小。換句話說，很難利用這種組合獲得可重復的結果。
圖3. CIE曲線和典型的光電二極管
高集成度解決方案不僅能夠獲得比人眼光學系統更真實的光強數據，還能夠節省大量空間。MAX9635、MAX44009等環境光傳感器，可將所有信號調節和模/數轉換器集成在一個小封裝（2mm x 2mm UTDFN封裝）內，從而在空間受限應用中有效節省電路板面積。
圖4提供了MAX44009的功能框圖，采用I?C通信協議，使其與微控制器的連接方式更簡單，數據傳輸速度更快。除此之外，該解決方案的高集成特性使其能夠置于柔性電纜，安裝在離主電路板距離合適的位置。
圖4. MAX44009功能框圖
背光控制：調節顯示屏亮度
該控制方案的第二部分是調節顯示屏的背光亮度。這可通過多種方式實現，具體取決于設備中的顯示屏模塊。有兩種最簡單的方式，一種是借助脈沖寬度調制（PWM）方案的直接調節方式，另一種是采用顯示屏控制器的間接調節方式。
許多顯示屏模塊如今都配有一個集成控制器，用戶可以通過向控制器發送串行命令，直接設置背光亮度。如果顯示屏模塊未配備集成控制器，還可安裝一個簡單的背光控制執行器，控制顯示屏后面用于背光照明的白光LED燈的輸入電流。實現這種控制的一種簡單辦法是：直接給LED串聯一個場效應晶體管（FET），使用PWM信號快速打開、關閉FET （圖5）。然而，也可以利用單一芯片（用于LED控制的MAX1698升壓轉換器）準確、可靠地調節（圖6），請參考應用筆記3866“Low-power PWM output controls LED brightness”，獲取詳細信息。
圖5. 簡單的PMW控制電路
圖6. 基于MAX1698的LED亮度調節器
背光控制：建立連接
最后一步就是在傳感器和執行器之間建立連接，通過微控制器實現。有人可能首先要問：“環境光強如何映射到背光亮度？”事實上，有些文獻專門介紹了相關方案。其中一種映射方式是，Microsoft?針對運行Windows? 7?操作系統的計算機提出的。圖7所示曲線是由Microsoft提供的，它可以將環境光強度映射到顯示屏亮度（以全部亮度的百分比表示）。
圖7. 將環境光強映射為最佳顯示屏亮度的曲線示例
這種特殊曲線可以用以下函數表示：
如果設備采用的是已集成亮度控制功能的LCD控制芯片，就可通過向芯片發送指令，輕松設置背光亮度。如果設備采用的是PWM直接控制亮度，則要考慮如何將比例信號映射至顯示屏亮度。
在MAX1698示例中，根據其產品說明書的介紹，可以將驅動電流映射為電壓。通過這個示例，我們可以假設LED電流強度幾乎與其電流呈線性關系。這樣，我們就可以在上述等式中乘上一個系數，計算出PWM所映射的有效電壓，該電壓再被映射至LED電流，最后轉化成顯示屏亮度。
方案實施
最好不要從一個亮度級直接跳轉到另一個亮度級，而是平滑上調和下調背光亮度，確保不同亮度等級之間無縫過渡。為了達到這一目的，最好采用帶有固定或不同亮度步長、可逐步調節亮度的定時中斷，也可采用帶有可控制LED輸入電流的PWM值的定時中斷，或者是能夠發送到顯示屏控制器的串行指令的定時中斷。圖8提供了這種算法的一個示例。
圖8. 步進式亮度調節的算法示例
另一個問題是，系統響應環境光強變化的速度。我們應盡量避免過快地改變亮度等級。這是因為光強的瞬間變化（譬如一扇窗戶打開或瞬間有一束光掃過）可能導致背光亮度發生不必要的變化，這往往會造成用戶感覺不適。并且，較長的響應時間還有助于減少微控制器對光傳感器的檢測次數，從而可以釋放一定的微控制器資源。
最初級的方法就是每隔一兩秒鐘檢查一次光傳感器，然后相應地調整背光亮度。更好的方法是，只有光線強度偏離特定范圍一定時間后，才對背光亮度進行調節。譬如，如果正常光強是200lux，我們可能只會在光強降到180lux以下或升至220lux以上，而且持續時間超過數秒的情況下才調節亮度。幸運的是，MAX9635和MAX44009都集成了中斷引腳和閾值寄存器，可輕松實現這個目的。請參考應用筆記4786“MAX9635環境光傳感器的接口程序”，獲取更多詳細信息。
附錄：源代碼
#define MAX44009_ADDR 0x96
// begin definition of slave addresses for MAX44009
#define INT_STATUS 0x00
#define INT_ENABLE 0.01
#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