汽車氛圍燈LED混光算法介紹及應(yīng)用

顏色的一致性在氛圍燈應(yīng)用中具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義，而混光技術(shù)歷史悠久，國(guó)際照明組織在1931年就制定了混光標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算方法及不同色域的轉(zhuǎn)換公式。本文介紹的顏色相關(guān)的信息將以國(guó)際照明組織標(biāo)準(zhǔn)CIE1931為基礎(chǔ)。本文就LED混光原理及其在汽車氛圍燈的應(yīng)用做了闡述，并結(jié)合indie英迪芯的氛圍燈專用芯片說(shuō)明其應(yīng)用要點(diǎn)。

一，混光原理介紹及應(yīng)用

1. 混光原理

燈珠制造廠商在燈珠的數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)提供燈珠的顏色的x,y坐標(biāo)值用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前燈珠的顏色坐標(biāo)參數(shù)，對(duì)于一顆RGB一體的燈珠會(huì)標(biāo)注典型的R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)的坐標(biāo)。

而RGB三個(gè)坐標(biāo)圍成的三角形即為這三顆燈可以顯示的顏色范圍，從圖中可以看出只用三基色是沒(méi)法完成全色域顏色的表達(dá)的。

有了三基色的坐標(biāo)的參數(shù)是否就可以完成顏色的準(zhǔn)確表達(dá)了呢？在顯色的圖譜上只標(biāo)識(shí)了顏色的顯示方式，如圖（1）并沒(méi)有體現(xiàn)任何有關(guān)亮度及亮度配比的信息，但在實(shí)際應(yīng)用中亮度值是一個(gè)不可忽視的因素。一般的常識(shí)也可以理解不同亮度的顏色的配比就會(huì)出現(xiàn)不同混光效果，所以為了標(biāo)定顏色一致性，在實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)產(chǎn)品做白平衡標(biāo)定。

2. 白平衡標(biāo)定

白平衡的標(biāo)定一般以D65（0.333,0.333）等能量點(diǎn)E作為標(biāo)準(zhǔn)的白平衡點(diǎn)對(duì)顏色進(jìn)行標(biāo)定

根據(jù)CIE xy坐標(biāo)的混色定義：目標(biāo)顏色的混色坐標(biāo)可由混色坐標(biāo)和其亮度計(jì)算得到：

當(dāng)混光顏色為3色時(shí)即紅、綠、藍(lán)，并設(shè)定好已知的白光點(diǎn)坐標(biāo)E(0.333,0.333)，即可計(jì)算出三個(gè)燈的亮度比，調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)三路顏色的亮度比即可完成目標(biāo)燈珠的白平衡操作。

3. 顏色轉(zhuǎn)換

如圖（1）所表示的顏色的絕對(duì)坐標(biāo)，理論上也就是說(shuō)對(duì)于不同的混色源雖然顏色坐標(biāo)各有不同，但只要是組成三角形內(nèi)共同的區(qū)域，這時(shí)發(fā)送的顏色坐標(biāo)在不同的燈上顯示的顏色是相同的；但在實(shí)際應(yīng)用中直接發(fā)送顏色坐標(biāo)會(huì)有一些實(shí)際的問(wèn)題：

• 顏色發(fā)送方必須很了解當(dāng)前燈能夠顯示的顏色區(qū)域，否則發(fā)送的顏色坐標(biāo)很容易會(huì)落在三角形區(qū)域外，導(dǎo)致顏色顯示異常。

• 燈控端計(jì)算量比較大，顏色計(jì)算涉及到眾多的乘除法計(jì)算對(duì)于普通的如8bit/16bit MCU來(lái)說(shuō)運(yùn)算量比較大，導(dǎo)致MCU的處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)過(guò)重。

所以為了降低MCU的運(yùn)算量或更直觀的顏色控制，一般只在做白平衡時(shí)才會(huì)使用x,y坐標(biāo)的顏色控制方式，但對(duì)于色差要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用中，發(fā)送x,y的顏色控制方式就會(huì)變成強(qiáng)烈的需求。

一般顏色表達(dá)的方式有很多種如RGB，RGBL、HSL(V)、xyY。

• RGB：顏色的表達(dá)方式一般如微軟windows的顏色表達(dá)方式，RGB中既有顏色的表達(dá)也隱含了亮度值。

• RGBL：RGB只表達(dá)顏色的信息，L則表達(dá)了亮度值

• HSL(V)：色彩(Hue)、飽和度(Saturation)、亮度（Level），此種顏色可以嚴(yán)格的把色彩、色彩的純度及亮度嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)，可以很方便的構(gòu)圖者用于顏色的調(diào)節(jié)。

• xyY：顏色的絕對(duì)值坐標(biāo)

目前在氛圍燈上用的最多的RGBL顏色的表達(dá)式，所以此處我們以此為例，講解RGBL和xyY之間是如何轉(zhuǎn)換的：

RGB和XYZ之間有如下的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

而此處的Sr，Sg，Sb為白平衡時(shí)紅、綠、藍(lán)顏色亮度的比例值，又由于：

帶入以上公式即可算出目標(biāo)x，y的值。

從以上運(yùn)算公式可以看出，紅綠藍(lán)坐標(biāo)不同，那RGBL對(duì)應(yīng)的x,y值也會(huì)有不同，所以RGBL表達(dá)的顏色只是相對(duì)色；由于RGBL中的RGB只代表顏色配比所以從計(jì)算結(jié)果中可以看出當(dāng)RGB值比例相同時(shí)顏色是相同的，同時(shí)在計(jì)算時(shí)需要考慮當(dāng)R、G、B同為0時(shí)的特例。

從RGBL轉(zhuǎn)xyY的運(yùn)算結(jié)果可以看出，RGB的取值不會(huì)導(dǎo)致xy越界的現(xiàn)象發(fā)生，所以用戶只要知道RGB的取值范圍就可以輕松的調(diào)節(jié)顏色。

4. 顏色穩(wěn)定性的其他考慮

1. LED的驅(qū)動(dòng)方式

LED燈珠的模型為電流模型，所以LED的驅(qū)動(dòng)方式最好是恒流驅(qū)動(dòng)，因?yàn)椴煌尿?qū)動(dòng)電流對(duì)LED的參數(shù)產(chǎn)生影響，如下圖：

電流不同對(duì)燈珠的波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生從而影響燈珠的坐標(biāo)參數(shù)，從而導(dǎo)致色差產(chǎn)生

2. 溫度對(duì)燈珠的影響

LED燈珠的發(fā)光效率隨溫度影響比較大，特別是紅光的衰減在85℃可達(dá)40% 如下圖，同時(shí)LED燈珠的PN節(jié)對(duì)溫度成負(fù)溫度系數(shù)，所以直接測(cè)量LED PN節(jié)電壓可以根據(jù)LED廠家提供的PN和溫度的曲線獲取當(dāng)前LED的溫度值來(lái)用于對(duì)光衰的補(bǔ)償。

為了維持顏色的一致性，還有很多需要做的事情，比如為了達(dá)到某一種顏色的在不同亮度值的穩(wěn)定性，甚至需要對(duì)每一個(gè)亮度進(jìn)行補(bǔ)償，這勢(shì)必會(huì)消耗MCU大量的資源以及大量的標(biāo)定時(shí)間。為了終端客戶的體驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)性我們還有很多課題需要去探索和嘗試。

二，indie英迪芯氛圍燈芯片Realplum/RuGBy簡(jiǎn)介

Indie是一家注冊(cè)于美國(guó)南加州的無(wú)晶圓半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司，專注于汽車的混合信號(hào)整合芯片設(shè)計(jì)。英迪芯微電子是其在中國(guó)江蘇無(wú)錫的子公司。

Indie英迪芯當(dāng)前有兩款汽車氛圍燈專用整合芯片：應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)單顆RGB的Realplum，和應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)多顆RGB的RuGBy。

Realplum內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

Realplum是一款集成了電源、MCU、LED驅(qū)動(dòng)和LIN收發(fā)器的四合一氛圍燈專用整合芯片，具有強(qiáng)大的性能：

1. 32bit ARM Cortex-M0內(nèi)核，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力

2. 64KB FLASH + 16KB SRAM，充足的存儲(chǔ)空間

3. 3路分別最大可達(dá)45mA的恒流源LED驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)100uA控制精度

4. 3路獨(dú)立的16bit PWM

5. 2路LIN，分別支持LIN master和LIN slave

6. 片內(nèi)LDO

7. 硬件過(guò)溫過(guò)壓保護(hù)

RuGBy內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖.

RuGBy同樣是一款集成了電源、MCU、LED驅(qū)動(dòng)和LIN的四合一氛圍燈專用整合芯片，相對(duì)于Realplum的區(qū)別在于RuGBy支持單芯片驅(qū)動(dòng)18路LED，即單顆RuGBy芯片能同時(shí)驅(qū)動(dòng)6顆RGB LED。其性能特點(diǎn)：

1. 32bit ARM Cortex-M0內(nèi)核，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力

2. 64KB FLASH + 16KB SRAM，充足的存儲(chǔ)空間

3. 18路分別最大可達(dá)30mA的恒流源LED驅(qū)動(dòng)

4. 18路獨(dú)立的16bit PWM

5. 2路LIN，分別支持LIN master和LIN slave

6. 片內(nèi)buck電路

三，indie英迪芯氛圍燈芯片的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

如前文所述，LED混光要做好需要解決幾個(gè)問(wèn)題：

1. 混光算法和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要更大的計(jì)算量

2. 顏色的穩(wěn)定性需要高精度的恒流源驅(qū)動(dòng)

3. 顏色的穩(wěn)定性需要對(duì)溫度和老化進(jìn)行補(bǔ)償

indie英迪芯的Realplum/RuGBy在芯片設(shè)計(jì)之初就對(duì)這些問(wèn)題作了充分考量，分別在內(nèi)核，存儲(chǔ)空間，恒流源控制精度和LED溫度檢測(cè)等方面作了優(yōu)化，對(duì)做好混光有很大幫助：

1. Realplum/RuGBy的MCU內(nèi)核是32bit ARM的Cortex-M0，效率達(dá)到0.9 DMIPS/MHz，對(duì)比與傳統(tǒng)8位/16位單片機(jī)其運(yùn)行效率有明顯提升。這對(duì)于RGB混色和色坐標(biāo)的變換的計(jì)算有很大幫助。尤其，新型的應(yīng)用可能需要做動(dòng)態(tài)的顏色變換（如音樂(lè)律動(dòng)效果等），其需要支持的顏色數(shù)量更多，這時(shí)靠簡(jiǎn)單的產(chǎn)線上光學(xué)儀器逐一顏色校準(zhǔn)的辦法很可能行不通了，需要自動(dòng)校準(zhǔn)。這時(shí)MCU的計(jì)算量會(huì)越發(fā)突出。Realplum/RuGBy的內(nèi)核將發(fā)揮重要的計(jì)算優(yōu)勢(shì)。

2. Realplum/RuGBy的存儲(chǔ)空間為64kB FLASH + 16KB SRAM，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。在標(biāo)定顏色數(shù)量上，對(duì)于傳統(tǒng)顏色標(biāo)定方式，Realplum/RuGBy可以存儲(chǔ)更多的顏色坐標(biāo)；對(duì)于新型動(dòng)態(tài)計(jì)算方式，Realplum/RuGBy也可以容納更多的算法，或者是兩者結(jié)合的方式。另外，對(duì)于溫度補(bǔ)償、老化補(bǔ)償?shù)乃惴ǎ琑ealplum/RuGBy也有足夠的程序空間。同時(shí)，對(duì)于在線升級(jí)（bootloader），Realplum/RuGBy大存儲(chǔ)空間就顯得更為重要了。

3. Realplum/RuGBy的恒流源最大可以驅(qū)動(dòng)45mA電流，即使采用廉價(jià)的光導(dǎo)材料Realplum/RuGBy也能發(fā)出足夠的亮度。更為重要的是，這個(gè)恒流源控制精度達(dá)到100uA一檔，這對(duì)于保證穩(wěn)定混光效果非常重要。電流直接影響顏色，如果恒流源電流不穩(wěn)定，哪怕PWM再精細(xì)也無(wú)濟(jì)于事。Realplum/RuGBy的設(shè)計(jì)可以保證其在顏色自動(dòng)標(biāo)定的可行性。

4. Realplum/RuGBy有個(gè)專有的LED PN結(jié)電壓檢測(cè)電路，保證檢測(cè)PN結(jié)電壓的精度。LED PN結(jié)的壓降與溫度正相關(guān)，但是LED PN結(jié)的壓降很小，微小變化就表現(xiàn)出較大的溫度變化，所以PN結(jié)的壓降檢測(cè)精度很重要。Realplum/RuGBy在芯片設(shè)計(jì)之初考慮到了這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了專有電路，確保了溫度補(bǔ)償?shù)目尚行浴?/span>同時(shí)，結(jié)合LED的老化曲線，Realplum/RuGBy也能做好LED的老化補(bǔ)償。

以上，是indie英迪芯的氛圍燈專用芯片Realplum/RuGBy在LED混光中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

汽車未來(lái)將會(huì)成為家以外的第二個(gè)親密私人空間，汽車內(nèi)飾照明已成為不可忽視的設(shè)計(jì)元素，氛圍燈正處于市場(chǎng)導(dǎo)入及成長(zhǎng)階段，如何將氛圍燈設(shè)計(jì)的更好，完美的實(shí)現(xiàn)人車互動(dòng)，需要主機(jī)廠，車燈廠，內(nèi)飾廠，材料廠商，控制器、薄膜，導(dǎo)光材料等企業(yè)的共同努力，現(xiàn)艾邦建有汽車氛圍燈微信群，吉利、比亞迪、長(zhǎng)城、長(zhǎng)安、東風(fēng)、延鋒、睿博光電、廣州新晨、宜蘭汽配、溫州錦成、科思創(chuàng)、庫(kù)爾茲、肖特等企業(yè)均已加入，歡迎產(chǎn)業(yè)鏈上下游的朋友入群探討，共謀進(jìn)步。

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活動(dòng)介紹：

Forum topics & guests

感謝以下企業(yè)對(duì)本次汽車內(nèi)飾氛圍燈論壇的大力贊助及支持：

1.比亞迪

2.廣汽研究院

3.華南理工大學(xué)

4.廣州毅昌科技股份有限公司

5.安徽徽合臺(tái)智能科技有限公司

6.愛(ài)彼思（上海）企業(yè)管理有限公司

7.歐朗中國(guó)

8.南京春輝科技實(shí)業(yè)有限公司

9.東莞市瑞蒙科技實(shí)業(yè)有限公司

10.杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司

11.柯尼卡美能達(dá)(中國(guó))投資有限公司

12.溫州錦成汽車部件有限公司

13.上海聰禛智能科技有限公司

14.上海光傲科技有限公司

15.廣東駿弘精工汽車部件有限公司

16.東莞市新橋聯(lián)復(fù)合材料科技有限公司 

17.歐司朗光電半導(dǎo)體

18.曼德光電

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