通过RGB LED模块设计带有测量值显示的色彩传感器

旧乡故客

通过精确控制红色、绿色和蓝色LED灯的强度来显示颜色。

白色光

本篇文章旨在制作一种可以测量光线“颜色”的设备。您可能知道，日照光实际上是无数不同波长的电磁辐射的混合物。可见光谱中的每个波长（从约400nm延伸到700nm）对应于特定颜色，并且我们的眼睛将这种颜色混合解释为“白色”光。

然而，毫无疑问，你会注意到生活看起来有点不同，这取决于主要的照明来源。荧光灯和强烈的阳光看起来特别白，而白炽灯泡和蜡烛营造出更温暖的“淡黄”的氛围。出现这些变化是因为不同的“白色”光源产生了截然不同的颜色混合。强度和波长之间的这种关系被称为光谱成分，这是用图像比用文字更容易解释的概念之一。看一下Popular Mechanics的这张图。

我强烈推荐以下文章，名为Ultimate Light Bulb Test：Incandescent vs. Compact Fluorescent vs.LED。它提供了有关不同灯泡光谱特性的有趣和详细信息，包括人们可能用来描述每个灯泡产生的光质量的一些词。

红色、绿色和蓝色

“RGB”这个词现在很常见，它本身几乎就是一个词。标准的附加显示系统（如计算机显示器）使用红色、绿色和蓝色光的组合来产生各种不同的颜色。因此，我们可以使用红色、绿色和蓝色光电探测器的组合来“测量”颜色。在白光的背景下，以这种方式思考它可能更有帮助：通过使用对红光、绿光和蓝光敏感的独立探测器，我们可以基于光能量来估计光谱成分。可见光谱的下三分之一（对应于蓝色探测器）、中间三分之一（对应于绿色）、上三分之一（对应于红色）。在您仔细考虑下面的图像后，这应该更加清晰，该图像传达了用于该项目的RGB传感器中红色、绿色、蓝色和透明光电探测器的相对光谱灵敏度（Rohm的BH1745NUC）。

单像素RGB显示器

除非我们有某种方式报告结果，否则我们的颜色测量将不会非常有用。我们将使用RGB LED模块实现这一目标：我们可以根据RGB光电探测器的输出调整每个LED的强度（也就是亮度），因此模块的整体颜色将类似于照亮BH1745NUC传感器IC的颜色。在本文中，我们将讨论LED控制器，在下文中，我们将此功能与BH1745NUC的读取数据相结合。

该项目利用定制设计的PCB，包括EFM8 Universal Bee微控制器、四通道DAC（德州仪器的DAC084S085）、四通道运算放大器（德州仪器的LMV614）、RGB LED（Avago的ASMT-YTB7-0AA02）和BH1745NUC。

至关重要的是要理解LED强度和正向电流之间的关系比LED强度和正向电压之间的关系简单得多。请考虑本项目中使用的LED模块数据表中的以下图表。

强度和电流之间的关系是线性的；电流和电压之间的关系是高度非线性的，这意味着强度和电压之间的关系也是高度非线性的。因此，如果我们想以可预测和直接的方式控制强度，我们需要调整电流而不是电压。

从电压源到电流源

DAC是一个4通道、8位、电压输出器件，通过SPI控制。 EFM8提供2.4 V参考电压。因此，DAC输出电压在0V至2.4V之间变化，步长为（2.4V）/（28）= 9.4mV。我们希望将此电压转换为将LED从零强度变为最大强度的电流。要做到这一点，我们需要一个运算放大器和一些负反​​馈；通用方法如下：

这里的基本原理是运算放大器将调整其输出，以使负输入端的电压等于正输入端的电压。反馈电阻器（RFB）将通过LED的电流转换为电压，使得施加到正输入的控制电压确定LED的正向电流并因此确定其强度。以下是该项目中使用的电路的设计过程：

1.    选择最大正向电流。我们将使用20 mA，这对于绿色和蓝色LED轻松低于25 mA的指定最大值（红色LED的最大值为50 mA）。请记住选择能够安全地获取这么大电流的运算放大器。

2.    使用电阻分压器将控制电压降低10倍。这使我们可以使用更小的反馈电阻，从而增加可用于LED正向压降的输出电压比例。

3.    调整反馈电阻的大小，使最大电流下的反馈电压等于最大10分频控制电压：

（2.4 V÷10）= RFB×20mA⇒RFB= 240 mV20 mA =12Ω

这是实际电路的原理图：

固件代码

固件中包含用于测试RGB LED电路的所有源文件和项目文件。将项目加载到Simplicity Studio时，可以双击“hwconf”文件以访问端口引脚和外设的配置详细信息。另请注意，这些源文件包含一些此演示项目不需要的代码。

该项目的功能如下：DAC通道A控制红色LED，通道B控制绿色LED，通道C控制蓝色LED。 EFM8首先将通道A从0增加到255，然后将通道B从0增加到255，然后将通道C从0增加到255。 RGB例程实现如下：

1. while (1)
   
2. {
   
3.         /*It is an 8-bit DAC, so the full range is 0 to 255. First channel A
   
4.          * (corresponding to the red LED) is incremented, then channel
   
5.          * B (corresponding to green), then channel C (corresponding to blue).*/
   
6.         
   
7.         /*The unused colors are set to zero to ensure that
   
8.          * we display pure red, green, and blue.*/
   
9.         UpdateDAC(DAC_RGB_G, 0);
   
10.         UpdateDAC(DAC_RGB_B, 0);
    
11. 
    
12.         UpdateDAC(DAC_RGB_R, 0);
    
13.         Delay_10ms(100);
    
14. 
    
15.         for(n=1; n>0; n++)
    
16.         {
    
17.                 UpdateDAC(DAC_RGB_R, n);
    
18.                 Delay_us(10000);
    
19.         }
    
20. 
    
21.         UpdateDAC(DAC_RGB_R, 0);
    
22.         UpdateDAC(DAC_RGB_B, 0);
    
23. 
    
24.         UpdateDAC(DAC_RGB_G, 0);
    
25.         Delay_10ms(100);
    
26. 
    
27.         for(n=1; n>0; n++)
    
28.         {
    
29.                 UpdateDAC(DAC_RGB_G, n);
    
30.                 Delay_us(10000);
    
31.         }
    
32. 
    
33.         UpdateDAC(DAC_RGB_R, 0);
    
34.         UpdateDAC(DAC_RGB_G, 0);
    
35. 
    
36.         UpdateDAC(DAC_RGB_B, 0);
    
37.         Delay_10ms(100);
    
38. 
    
39.         for(n=1; n>0; n++)
    
40.         {
    
41.                 UpdateDAC(DAC_RGB_B, n);
    
42.                 Delay_us(10000);
    
43.         }
    
44. }

复制代码

UpdateDAC()函数中的代码和注释描述了将新数据加载到DAC芯片的过程：

1. void UpdateDAC(unsigned char ChannelABCorD, unsigned char DACcode)
   
2. {
   
3.         //ensure that we are not interrupting an ongoing transmission
   
4.         while(SPI_State != IDLE);
   
5. 
   
6.         /*This switch statement sets the two most significant bits of the 16-bit DAC word
   
7.          * according to which channel is being updated. It also sets the two "operation mode"
   
8.          * bits to binary 01, which corresponds to "write to specified register and
   
9.          * update outputs."*/
   
10.         switch(ChannelABCorD)
    
11.         {
    
12.                 case DAC_CH_A:
    
13.                         UpdateDAC_FirstByte = 0x10;
    
14.                         break;
    
15. 
    
16.                 case DAC_CH_B:
    
17.                         UpdateDAC_FirstByte = 0x50;
    
18.                         break;
    
19. 
    
20.                 case DAC_CH_C:
    
21.                         UpdateDAC_FirstByte = 0x90;
    
22.                         break;
    
23. 
    
24.                 case DAC_CH_D:
    
25.                         UpdateDAC_FirstByte = 0xD0;
    
26.                         break;
    
27.         }
    
28. 
    
29.         /*The upper four bits of the DAC code are the lower four bits
    
30.          * of the first byte, and the lower four bits of the DAC code are
    
31.          * the upper four bits of the second byte.*/
    
32.         UpdateDAC_FirstByte = UpdateDAC_FirstByte | (DACcode >> 4);
    
33.         UpdateDAC_SecondByte = DACcode << 4;
    
34. 
    
35.         SPI0CFG |= BIT4;        //this sets the proper clock polarity for the DAC interface
    
36.         DAC_NSS = LOW;        //activate DAC slave select
    
37.         SPI0DAT = UpdateDAC_FirstByte;
    
38.         SPI_State = FIRST_DAC_BYTE_SENT;
    
39. }

复制代码

SPI传输从UpdateDAC()中的最后四个语句开始，并在SPI状态机中继续，SPI状态机包含在SPI中断服务程序中。

1. SI_INTERRUPT (SPI0_ISR, SPI0_IRQn)
   
2. {
   
3.         //SPI registers are on all SFR pages, so need need to modify SFRPAGE
   
4. 
   
5.         SPI0CN0 &= ~BIT7;        //clear interrupt flag
   
6. 
   
7.         switch(SPI_State)
   
8.         {
   
9.                         //SPI communications with DAC=====================================
   
10.                 case FIRST_DAC_BYTE_SENT:
    
11.                         SPI0DAT = UpdateDAC_SecondByte;
    
12.                         SPI_State = SECOND_DAC_BYTE_SENT;
    
13.                         break;
    
14. 
    
15.                 case SECOND_DAC_BYTE_SENT:
    
16.                         DAC_NSS = HIGH;        //disable slave select
    
17.                         SPI_State = IDLE;
    
18.                         break;
    
19.         }
    
20. }

复制代码

总结

我们现在已经设计完成了电路和固件，它们将RGB LED组合成一个8位深度的单像素彩色显示屏。 在下一篇文章中，我们将使用此像素直观地传达照亮RGB传感器的光的颜色特征。