摘要：本應用筆記主要講述采用MAX44009環境光傳感器控制便攜式設備(譬如智能手機和平板電腦)背光亮度的應用。針對背光亮度調節，本文介紹了兩種不同的控制方案。此外，本文還就如何獲得更好的控制效果提供了相關建議，同時也提供了實現本文所述算法的源代碼。

　　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)。

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　　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。

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　　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。

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　　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I2C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。

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　　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。

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　　圖5. 簡單的PMW控制電路

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　　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? 71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)。

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　　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：

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　　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。

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　　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。

    源代碼
#define MAX44009_ADDR	0x96
// begin definition of slave addresses for MAX44009
#define INT_STATUS	0x00
#define INT_ENABLE	0x01
#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