液晶显示器背光控制系统设计

李　艳， 刘俊杰

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安　710021)



液晶显示器背光控制系统设计

李艳， 刘俊杰

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：介绍了一种以微控制器STM32F030F4为主控芯片，以LT3598为背光源驱动芯片的液晶显示器显示背光控制系统.通过BPW21采集外界环境亮度和显示器亮度，采集的信号经过信号调理电路反馈至微控制器的A/D；同时针对LED发光效率与温度之间的关系，使用微控制器的I2C模块驱动温度传感器DS18B20，检测LED工作环境温度，反馈到微控制器.微控制器根据所获得的亮度差值与温度采用一定的控制算法，计算出相应的控制量，输出对应占空比的PWM，控制LT3598的输出电流，从而形成闭环控制系统，最终能达到显示器亮度与环境亮度一致的目标.

关键词：LED背光源; STM32F030F4; LT3598; BPW21; DS18B20

0引言

液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)背景照明主要采用冷阴极荧光灯管 (CCFL)和白光LED(Light Emitting Diode)照明.而LED背光源以其发光效率高﹑能耗小﹑可靠耐用﹑应用灵活﹑使用寿命长﹑绿色环保等优势在民用和军用显示产品上得到更多应用.

随着LED背光技术的不断成熟，人们对其性能也在不断进行着改进，让LED背光技术发挥到它最大的效益.在一些特殊情况下对显示器亮度有着特殊的要求.在野外侦查的士兵所使用的显示器亮度要与所处环境相同，以具备自适应能力[1]；高空飞行的飞机其显示器亮度要求不刺激飞行员眼睛，以免造成意外；手机显示屏一旦处于黑暗状态，在没有人为操作时，应该处于黑屏，以达到省电的目的.这些都要求显示器具备自适应调节的能力.因此如何保证LCD背景照明光强的自动调节是亟待解决的问题.

本文介绍了一种以STM32F030F4微控制器为主控芯片的背景光控制系统, 可实时采集环境光强和背景照明光强及环境温度, 自动调节背景照明强度, 使LCD 的亮度与环境亮度保持一致.该系统能运用到家用显示设备，如个人电脑显示器、电视机等，或运用到工业现场中的显示设备，如汽轮机控制系统中监控显示器.

1背光控制原理

LED灯发光强度与电流基本上成线性关系，电流越大，发光强度越大，电流越小，发光强度越小.另外，LED受温度影响比较大，温度过高时它的发光效率会降低.不同品质的LED灯有着自己不同的温度习性，在一个完整的温度区域内可将其分为不同的温度段，进行线性化，这样可使LED灯的发光与电流能具有了很好的理论依据.温度对LED的使用寿命影响也极大，研究表明大功率白光LED的结温越高，使用寿命越短[2].根据以上分析，设计出背光控制原理图如图1所示.其控制原理为：由温度传感器采集温度信号，将采集的信号送入微控制器内，微控制器选择合理的段函数，同时光传感器采集外界环境亮度，将信号进行放大处理等，再进行模数转换送入微控制器内部，微控制器按照一定的运算规律发出相应的PWM波控制LED灯的发光亮度.

图1　背光控制原理图

2控制方案设计

图2为控制系统控制方案，通过两个BPW21传感器分别采集环境亮度和背光源亮度，分别经过滤波放大后接入STM32F030F4的A/D接口.STM32F030F4通过DS18B20采集环境温度，分析并计算输出的占空比驱动LT3598改变通过背光源LED的电流，从而实现LED的闭环控制.

图2　控制方案示意图

2.1环境亮度采集

外界环境亮度通过BPW21来进行测量，BPW21可将外界光亮度转换为电流信号，在完全黑暗条件下输出为2 nA，其环境亮度感知范围约为0至500 0lx，最大值由LM324输出最大值(饱和电压)决定.BPW21对环境亮度进行采集[3]，采集后信号经滤波放大电路处理后送入微控制器STM32F030F4内部A/D中进行转换.

2.2LED工作环境温度采集

尽管LED灯发光与电流成线性关系，但由于LED发光效率受工作环境温度限制，对于不同温度范围内LED的发光效率有所不同，但在相对范围内还可以看作线性关系，只不过在线性斜率上有所不同，所以需要对工作环境温度进行检测[4].本系统采用数字式温度传感器DS18B20来进行温度采集，采集后信号送入微控制器内部，微控制器选择合适的段函数经CPU处理，产生相对应的PWM波，来控制电流大小.

2.3背光源驱动

背光源的种类很多，从电源方式上说有直流电源方式和交流电源方式，从供电模式上可分为，横流、恒压和恒功率型三种[5].本系统采用恒流源模式进行控制.

系统采用专门的背光源驱动芯片LT3598，正常工作时它接收到微控制器内部发出的PWM波，根据PWM 波的占空比大小来决定输出电流的大小.系统中LT3598共驱动30只LED灯，驱动最大电流为20 mA[6].LT3598有六个驱动口，两个驱动口驱动一串10只的LED灯条，则通过LED灯灯条的最大电流为40 mA.

2.4显示器亮度检测设计

由于要求显示器的亮度与外界环境亮度一致，所以需要检测显示器亮度.用BPW21对LED发光源发光亮度进行数据采集，将采集数据进行滤波放大处理后，再进行A/D转换，数据与基准值进行比较，看有无差值，有则再进行控制，无则继续保持，等待下一循环.设定值为前一时刻环境亮度对应的二进制数，LED背光源亮度对应的二进制数为实际值，通过两者差值，得出微控制器控制的依据，通过算法来控制PWM波占空比[7].

3硬件电路设计

图3为硬件总体框架图，控制系统硬件部分主要包括：微控制器主控模块、键盘模块、温度检测模块、环境亮度检测模块、LED背光驱动模块等组成.由框图3可见，本系统以微控制器STM32F030F4为控制核心，外扩键盘输入，传感器输入等外围电路实现.环境亮度由BPW21测得，信号经处理后，再由DS18B20测得温度后，确定所采用的段函数，经CPU处理，产生相对应的PWM波，来控制电流大小，LED背光驱动采用LT3598芯片.

图3　系统硬件电路图

3.1系统主控模块器件的选型设计

主控芯片采用微控制器STM32F030F4采用ARM Cortex-M0内核，运算速度高达48 MHz.STM32F030F4是STM32系列中价格最低的产品，单价仅为32美分，具有全套外设，例如高速12位ADC,并且具有片内校准功能，保证了LCD亮度的高精度动态调节.4个16位定时器,具有I2C、USART和SPI通信接口.采用模拟和数字分开供电, 减少数字信号和模拟信号之间的干扰[8].

3.2亮度检测电路的设计

图4为亮度检测电路，采用BPW21实现对环境亮度和显示器亮度的测量，它将采集来的信号传递给放大电路，经放大处理后，送入微控制器内部的A/D转换器进行模数转换.由于控制目标是保证显示器亮度与环境亮度一致，所以，上一时刻采集的环境亮度作为下一时刻控制的目标值，下一时刻采集的显示器亮度作为实际值，两者的差值经CPU处理[9]，CPU发出指令，产生控制信号，向LT3598发出PWM实现控制目标.

图5为亮度信号处理电路，由BPW21采集的信号，需要经过放大滤波处理后，再送入微控制器内部的A/D进行转换.运算放大器采用LM324，BPW21采集的信号较弱，因此需要先放大再滤波后送入微控制器内部.

图4　亮度检测电路

图5　亮度信号处理电路

3.3背光驱动电路设计

LT3598是凌力尔特公司推出的45 V、2.5 MHz DC/DC升压模式转换器，该器件作为恒定电流LED驱动器工作，可用于多达60只白光LED的驱动.LT3598可以驱动多达6个LED串，每串具有多达10只串联的30 mA白光LED，同时提供高达90%的效率.其多通道能力使该器件非常适合于中等尺寸的TFT-LCD背光照明应用.

LT3598在工作时，开关频率很高，在开关断开时系统应仍能保持芯片内部正常工作，电感作为储能原件，为芯片提供能量.为了保证供电电源的稳定，选择电感有几个问题需要解决：第一，电感量必须足够大,这样才能保证开关管截止期间，能向负载供应足够的能量.第二，电感必须能承受一定的峰值电流而不至于饱和，甚至损坏；第三，电感的直流电阻值应尽量小，以便电感本身的功率损耗(I2R)最小化.在本系统中采用铁氧体磁芯电感，其电感值在4.7～22μH可以满足大多数应用场合的需要[10].

电容有滤波作用，在输出端应用低等效串联电阻(ESR)值的陶瓷电容，以尽量减少纹波电压.对于LT3598电路，一个4.7～10μF的输出电容就可以满足大多数高输出电流的设计要求.

LT3598本身就具有升压型DC/DC转换器的功能，其正常工作开关频率设置在200 KHz～2.5 MHz之间，就可以很好地工作.用其RT引脚外接电阻的阻值来调控高频开关频率的大小.本系统中，LT3598的RT外接电阻R8阻值为51.1 KΩ，DC/DC转换器工作的开关频率为1 MHz.图6为LT3598最大输出电压模块电路.

图6　LT3598最大输出电压模块

最大输出电压，可用如下公式求得：

(1)

通过设置外接电阻R11和R12的阻值大小就可以确定最大输出电压，要求输出电压应略高于LED串正常工作电压.当LED工作电压超过设定的Vout(max)时，过压保护电路就启动，以便DC/DC转换器降低输出电压.

根据实际应用需要，通过设置Iset引脚外接电阻R15的阻值大小(选取阻值范围为10～100 KΩ可满足此驱动电路正常工作)，就可以设定流过LED串的电流大小，实验测得流过LED串电流大小估算公式为：

(2)

其中ILED表示流过LED的电流大小，R15为14.7 KΩ，故最大电流为20 mA.设定ILED越大，LT3598本身功耗越高，若ILED=30 mA，PWM调光占空比为100 %，此时LT3598功耗至少在144 mW以上.通过PWM来改变其输出的LED电流大小来改变LED的亮度，实现对显示器亮度和对比度的调节.

对于一个有6个线性电流源的单一升压转换器，对6串LED供电,LED串的电压不匹配都将造成功率的额外耗散，引起驱动电路过热.并且环境温度高，会导致IC温度升高.因此，设计时需要考虑发热因素的影响.

热回路的运行过程简单，环境温度升高时，驱动IC内部结温也升高.一旦温升达到设定的最大结温，LT3598开始线性地降低LED电流，并根据实际需要，尽量保持在该温度水平.若环境温度越过设定的最大结温后继续升高，LED电流将减小到大约全部LED电流的5%.因此，设计时要考虑到具体的环境温度，避免环境温升过高而影响电路正常工作.图7为热保护电路，在LT3598的Tset引脚接一个电阻分压网络R13和R14，适当选择R13和R14的比值,就可确定需要设定的最大结温值.

图7　LT3598的热保护设计电路

图8为LT3598背光源驱动电路，应用LT3598可用两种不同类型的调光模式进行调光，一种是模拟调光，另一种是PWM调光[11].本系统采用控制PWM波的形式来控制电流的大小来对LED的发光亮度进行调节.本系统将最大输出电流设为20 mA，根据LT3598电流公式可得，RIset值为14.7 KΩ.且其输出具有很高的精度，受温度影响也极小.

图8　LT3598背光源驱动电路

4软件设计

系统采用模块化程序设计.本系统采用增量式PID进行PID运算.增量式PID建立在对位置式PID进行改进的基础之上，克服了位置式PID对所有过去状态的依赖．降低了因微控制器故障导致PID误输出给系统带来严重后果的影响.在微控制器具体的实现过程如下：

首先进行系统初始化，包括初始化系统时钟、GPIO时钟、ADC时钟和PWM时钟，配置GPIO、ADC和PWM参数等.初始化PID结构体.读取温度和ADC数据.根据温度设定当前Kp、KI、KD系数.计算背景亮度和环境亮度的误差.根据计算的输出量来更新PWM占空比.图9为背光调整软件流程.

计算PID输出量的过程实现如下，根据微控制器STM32F030F4自带的ADC对当前采集的背光和环境光强进行模数转化，并计算背光和环境光强的误差，根据本次误差，上一次差值和上上一次误差做PID运算.由于发光效率与环境温度有关，因此需要根据每次读取的环境温度选择合适的PID参数.公式(3)为计算每次的PID增量.

Δu(kT)=Δ1+Δ2+Δ3

(3)

其中，

Δ1=Kp[e(kT)-e(kT-T)]

(4)

Δ2=KIe(kT)

(5)

Δ3=KD[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]

(6)

最终PID输出量为：

u(kT)=u(kT-T)+Δu(kT)

(7)

其中，u(kT-T)为上一次PID输出量，e(kT)为本次误差，e(kT-T)为上一次误差，e(kT-2T)为上上一次误差.KP、KI、KD分别为比例、积分和微分系数.在每次计算完PID输出量后需要保存当前误差和上一次误差，即：

e(kT-2T)=e(kT-T)

(8)

e(kT-T)=e(kT)

(9)

图9　控制算法与流程

5结论

本调光控制系统能够实现液晶显示器亮度的自动调节，并有效保证LCD亮度与环境亮度一致.环境亮度变化后人眼无不舒服的感觉，消除了因环境光强变化引起的视觉疲劳.另外，本系统采用廉价的STM32F030F4为控制芯片，在硬件设计上节省了A/D转换模块，使设计变得简洁，节省了成本.采用增量式的PID算法并根据环境温度修正PID参数，能提高调光效率，并能保证发光强度变化的连续性.该系统能运用到家用显示设备，如个人电脑显示器、电视机等，或运用到工业现场中的显示设备，如汽轮机控制系统中监控显示器.

参考文献

[1] 杨欢.基于LSM的LED寿命的计算与分析[J].信息技术,2011(7):112-114.

[2] 刘燕燕.基于STM32的红外火灾探测系统设计[J].计算机测量与控制,2013,21(1):51-53.

[3] 吴兰君，王艳荣.基于LT3598多通道LED集成驱动应用电路的设计[J].中国照明电器,2009(10):20-24.

[4] 章小兵.基于动态阈值的液晶显示器动态背光控制方法[J].光电工程,2013,40(3):75-80.

[5] 沭沂,仲雪飞.LCD视角的主观视觉感知评价方法[J].电子器件,2011,31(5):1 426-1 428.

[6] 章小兵，王茹.基于局部均值和标准差的LCD动态背光调整[J].液晶与显示,2011,26(5):698-700.

[7] 赵庆平，李素文.可配置的SOPC系统TFT-LCD控制器的设计与实现[J].电子器件,2013,36(6):900-901.

[8] 刘景桑，李京华.基于嵌入式Linux的LCD背光调节及驱动的实现[J].现代电子技术,2012,35(6):5-8.

[9] 赵登峰，张宇宁.液晶显示器件动态调制函数的测量与计算[J].电子器件,2009,32(1):1-3.

[10] 田锦明，王松林.峰值电流控制模式中的分段线性斜坡补偿技术[J].电子器件,2006,29(3):864-867.

[11] 刘畅，黄正兴.双闭环控制感应加热电源设计与仿真分析[J].电子器件,2012,35(6):736-739.

The desgin of LCD display backlight control system

LI Yan， LIU Jun-jie

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China))

Abstract:Introduce a kind of micro controller STM32F030F4 as main control chip, using LT3598 as the backlight of LCD driver display backlight control system.Through the BPW21 collection of the brightness of the external environment and the brightness of the display,collected by signal feedback to the micro controller A/D;the relationship between efficiency and LED emission temperature,drive temperature sensor DS18B20 module using the I2C micro controller,detection of LED working environment temperature,feedback to the microcontroller.The micro controller according to the brightness difference and temperature obtained using a control algorithm,calculate the corresponding control variable,the corresponding output duty cycle PWM,output current control LT3598,so as to form a closed loop control system,will eventually reach the display brightness and the brightness of the environment consistent goal.

Key words:LED blacklight; STM32F030F4; LT3598; BPW21; DS18B20

中图分类号：TP29

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)02-0159-06

作者简介:李艳(1972-)，女，四川仁寿人,副教授，研究方向:工业自动化

基金项目：陕西省科技厅科学技术研究发展计划项目(2013k07-28)

收稿日期:*2015-01-17