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汽车氛围灯LED混光算法介绍及应用

色的一致性在氛围灯应用中具有极其重要的现实意义,而混光技术历史悠久,国际照明组织在1931年就制定了混光标准、计算方法及不同色域的转换公式。本文介绍的颜色相关的信息将以国际照明组织标准CIE1931为基础。本文就LED混光原理及其在汽车氛围灯的应用做了阐述,并结合indie英迪芯的氛围灯专用芯片说明其应用要点。


一,混光原理介绍及应用


1. 混光原理


灯珠制造厂商在灯珠的数据手册中会提供灯珠的颜色的x,y坐标值用于标识当前灯珠的颜色坐标参数,对于一颗RGB一体的灯珠会标注典型的R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)的坐标。



而RGB三个坐标围成的三角形即为这三颗灯可以显示的颜色范围,从图中可以看出只用三基色是没法完成全色域颜色的表达的。


有了三基色的坐标的参数是否就可以完成颜色的准确表达了呢?在显色的图谱上只标识了颜色的显示方式,如图(1)并没有体现任何有关亮度及亮度配比的信息,但在实际应用中亮度值是一个不可忽视的因素。一般的常识也可以理解不同亮度的颜色的配比就会出现不同混光效果,所以为了标定颜色一致性,在实际应用中必须对产品做白平衡标定。


2. 白平衡标定


白平衡的标定一般以D65(0.333,0.333)等能量点E作为标准的白平衡点对颜色进行标定

根据CIE xy坐标的混色定义:目标颜色的混色坐标可由混色坐标和其亮度计算得到:



当混光颜色为3色时即红、绿、蓝,并设定好已知的白光点坐标E(0.333,0.333),即可计算出三个灯的亮度比,调节红、绿、蓝三路颜色的亮度比即可完成目标灯珠的白平衡操作。


3. 颜色转换


如图(1)所表示的颜色的绝对坐标,理论上也就是说对于不同的混色源虽然颜色坐标各有不同,但只要是组成三角形内共同的区域,这时发送的颜色坐标在不同的灯上显示的颜色是相同的;但在实际应用中直接发送颜色坐标会有一些实际的问题:


  • 颜色发送方必须很了解当前灯能够显示的颜色区域,否则发送的颜色坐标很容易会落在三角形区域外,导致颜色显示异常。

  • 灯控端计算量比较大,颜色计算涉及到众多的乘除法计算对于普通的如8bit/16bit MCU来说运算量比较大,导致MCU的处理数据的负担过重。


所以为了降低MCU的运算量或更直观的颜色控制,一般只在做白平衡时才会使用x,y坐标的颜色控制方式,但对于色差要求比较严格的应用中,发送x,y的颜色控制方式就会变成强烈的需求。


一般颜色表达的方式有很多种如RGB,RGBL、HSL(V)、xyY。


  • RGB:颜色的表达方式一般如微软windows的颜色表达方式,RGB中既有颜色的表达也隐含了亮度值。

  • RGBL:RGB只表达颜色的信息,L则表达了亮度值

  • HSL(V):色彩(Hue)、饱和度(Saturation)、亮度(Level),此种颜色可以严格的把色彩、色彩的纯度及亮度严格区分开,可以很方便的构图者用于颜色的调节。

  • xyY:颜色的绝对值坐标

目前在氛围灯上用的最多的RGBL颜色的表达式,所以此处我们以此为例,讲解RGBL和xyY之间是如何转换的:


RGB和XYZ之间有如下的转换关系:

而此处的Sr,Sg,Sb为白平衡时红、绿、蓝颜色亮度的比例值,又由于:


带入以上公式即可算出目标x,y的值。


从以上运算公式可以看出,红绿蓝坐标不同,那RGBL对应的x,y值也会有不同,所以RGBL表达的颜色只是相对色;由于RGBL中的RGB只代表颜色配比所以从计算结果中可以看出当RGB值比例相同时颜色是相同的,同时在计算时需要考虑当R、G、B同为0时的特例。


从RGBL转xyY的运算结果可以看出,RGB的取值不会导致xy越界的现象发生,所以用户只要知道RGB的取值范围就可以轻松的调节颜色。


4. 颜色稳定性的其他考虑


1. LED的驱动方式


LED灯珠的模型为电流模型,所以LED的驱动方式最好是恒流驱动,因为不同的驱动电流对LED的参数产生影响,如下图:


电流不同对灯珠的波长会产生从而影响灯珠的坐标参数,从而导致色差产生


2. 温度对灯珠的影响


LED灯珠的发光效率随温度影响比较大,特别是红光的衰减在85℃可达40% 如下图,同时LED灯珠的PN节对温度成负温度系数,所以直接测量LED PN节电压可以根据LED厂家提供的PN和温度的曲线获取当前LED的温度值来用于对光衰的补偿。


为了维持颜色的一致性,还有很多需要做的事情,比如为了达到某一种颜色的在不同亮度值的稳定性,甚至需要对每一个亮度进行补偿,这势必会消耗MCU大量的资源以及大量的标定时间。为了终端客户的体验及经济性我们还有很多课题需要去探索和尝试。


二,indie英迪芯氛围灯芯片Realplum/RuGBy简介


Indie是一家注册于美国南加州的无晶圆半导体设计公司,专注于汽车的混合信号整合芯片设计。英迪芯微电子是其在中国江苏无锡的子公司。


Indie英迪芯当前有两款汽车氛围灯专用整合芯片:应用于驱动单颗RGB的Realplum,和应用于驱动多颗RGB的RuGBy。


Realplum内部结构框图


Realplum是一款集成了电源、MCU、LED驱动和LIN收发器的四合一氛围灯专用整合芯片,具有强大的性能:


  1. 32bit ARM Cortex-M0内核,具有较强的运算能力

  2. 64KB FLASH + 16KB SRAM,充足的存储空间

  3. 3路分别最大可达45mA的恒流源LED驱动,步进100uA控制精度

  4. 3路独立的16bit PWM

  5. 2路LIN,分别支持LIN master和LIN slave

  6. 片内LDO

  7. 硬件过温过压保护


RuGBy内部结构框图.


RuGBy同样是一款集成了电源、MCU、LED驱动和LIN的四合一氛围灯专用整合芯片,相对于Realplum的区别在于RuGBy支持单芯片驱动18路LED,即单颗RuGBy芯片能同时驱动6颗RGB LED。其性能特点:


  1. 32bit ARM Cortex-M0内核,具有较强的运算能力

  2. 64KB FLASH + 16KB SRAM,充足的存储空间

  3. 18路分别最大可达30mA的恒流源LED驱动

  4. 18路独立的16bit PWM

  5. 2路LIN,分别支持LIN master和LIN slave

  6. 片内buck电路


三,indie英迪芯氛围灯芯片的竞争优势



如前文所述,LED混光要做好需要解决几个问题:


  1. 混光算法和坐标转换需要更大的计算量

  2. 颜色的稳定性需要高精度的恒流源驱动

  3. 颜色的稳定性需要对温度和老化进行补偿


indie英迪芯的Realplum/RuGBy在芯片设计之初就对这些问题作了充分考量,分别在内核,存储空间,恒流源控制精度和LED温度检测等方面作了优化,对做好混光有很大帮助:


  1. Realplum/RuGBy的MCU内核是32bit ARM的Cortex-M0,效率达到0.9 DMIPS/MHz,对比与传统8位/16位单片机其运行效率有明显提升。这对于RGB混色和色坐标的变换的计算有很大帮助。尤其,新型的应用可能需要做动态的颜色变换(如音乐律动效果等),其需要支持的颜色数量更多,这时靠简单的产线上光学仪器逐一颜色校准的办法很可能行不通了,需要自动校准。这时MCU的计算量会越发突出。Realplum/RuGBy的内核将发挥重要的计算优势。

  2. Realplum/RuGBy的存储空间为64kB FLASH + 16KB SRAM,业内领先。在标定颜色数量上,对于传统颜色标定方式,Realplum/RuGBy可以存储更多的颜色坐标;对于新型动态计算方式,Realplum/RuGBy也可以容纳更多的算法,或者是两者结合的方式。另外,对于温度补偿、老化补偿的算法,Realplum/RuGBy也有足够的程序空间。同时,对于在线升级(bootloader),Realplum/RuGBy大存储空间就显得更为重要了。

  3. Realplum/RuGBy的恒流源最大可以驱动45mA电流,即使采用廉价的光导材料Realplum/RuGBy也能发出足够的亮度。更为重要的是,这个恒流源控制精度达到100uA一档,这对于保证稳定混光效果非常重要。电流直接影响颜色,如果恒流源电流不稳定,哪怕PWM再精细也无济于事。Realplum/RuGBy的设计可以保证其在颜色自动标定的可行性。

  4. Realplum/RuGBy有个专有的LED PN结电压检测电路,保证检测PN结电压的精度。LED PN结的压降与温度正相关,但是LED PN结的压降很小,微小变化就表现出较大的温度变化,所以PN结的压降检测精度很重要。Realplum/RuGBy在芯片设计之初考虑到了这个问题,设计了专有电路,确保了温度补偿的可行性。同时,结合LED的老化曲线,Realplum/RuGBy也能做好LED的老化补偿。


以上,是indie英迪芯的氛围灯专用芯片Realplum/RuGBy在LED混光中的竞争优势。


本文由无锡英迪芯 潘吉快 提供


标题:汽车氛围灯LED混光算法介绍及应用

Introduction and application of ambient light LED mixed light algorithm


关键词:汽车氛围灯  算法   应用  芯片  英迪芯

keywords:Ambient Light    algorithm    application    chip    indie


汽车未来将会成为家以外的第二个亲密私人空间,汽车内饰照明已成为不可忽视的设计元素,氛围灯正处于市场导入及成长阶段,如何将氛围灯设计的更好,完美的实现人车互动,需要主机厂,车灯厂,内饰厂,材料厂商,控制器、薄膜,导光材料等企业的共同努力,现艾邦建有汽车氛围灯微信群,吉利、比亚迪、长城、长安、东风、延锋、睿博光电、广州新晨、宜兰汽配、温州锦成、科思创、库尔兹、肖特等企业均已加入,欢迎产业链上下游的朋友入群探讨,共谋进步。


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