摘要：使用直下式RGB LED 作為座艙用液晶顯示器背光源，并采用背光模塊分區技術； 通過對背光源驅動電路的設計，使用CAN 總線通訊，實現了顯示器背光模塊的光強根據周圍環境光的三原色光強或用戶喜好自動或手動調節。該設計能更好地滿足座艙內用戶的需求。
引言
為使座艙內的用戶隨時得到準確、可靠的信息，座艙內使用的顯示器必須具有高可靠性； 同時，為提高其易讀性和緩解視覺疲勞，顯示器的光強還應能根據周圍環境和用戶需求進行調整，避免用戶在環境光很強時看不清顯示內容，或在環境光很暗時感到刺眼。目前，液晶（ LCD） 顯示器已廣泛用于商業、工業及軍事等領域。而LED 背光源是國家863 重點攻關課題，其在穩定性、可視性、環保、發光效率、色彩飽和度、體積、動態控制等方面具有明顯優勢，正在迅速普及。
本文設計了一種將LED 背光源運用到座艙顯示器的驅動電路，其中采用了國際上較為領先的直下式RGB LED 背光驅動技術，并將背光模塊分區，利用CAN 總線技術保證有效通訊； 電路的設計使顯示器背光模塊的光強能夠根據環境光的三原色光強或用戶喜好自動或手動調節。該設計能夠更好地滿足座艙內用戶的觀看需求。
1 背光模塊
1. 1 RGB LED 背光模塊
傳統的LCD 背光源采用的是冷陰極熒光燈（ CCFL） ，色彩還原性差，僅能提供NTSC （ NationalTelevision System Committee） 標準中色域的72%；而LED 背光源色彩還原性好，可以達到NTSC 標準中色域的105% ，甚至超過120%，并且壽命長、不含汞。
LED 背光模組按入射位置一般分為側光式和直下式； 按LED 種類可分為RGB LED 與白光LED。與側光式背光源相比，直下式背光源由于LED 分布在面板的后方，亮度分布更均勻。RGB LED 背光采用了RGB 三原色的LED 作為獨立發光元件，與白光LED 相比，具有更好的亮度、對比度和色彩還原性。
采用RGB LED 作為背光模組，顯示器的色域范圍最高能達到NTSC 色域的150% 左右，同時，RGB LED背光源支持背光區域調整技術，動態對比度可達到千萬： 1 級［5］。通過分析，直下式RGB LED 更適合作為座艙環境下的LCD 顯示器背光源。圖1 為采用直下式LED 背光源的LCD 顯示器結構示意圖。
圖1 采用直下式LED 背光源的液晶顯示器頂視圖
由于LED 光源為點光源，我們需要對其進行光學設計，形成亮度均勻的面光源。另外我們對背光模塊屏幕進行了分塊，每塊區域采用三片LED 驅動集成電路分別對三原色LED 的發光強度進行控制。
1. 2 自動調節光強度
由于人眼習慣于看受環境光影響的自然界中的物體，本文設計的背光模塊的亮度模擬在自然界中物體的亮度特性，其中的R、G、B 三色LED 亮度達到最大值時，顯示屏的白平衡達到最好。
電路檢測環境光的光強，使環境光經三原色傳感器分解成紅、綠、藍信號，其大小分別用xR、xG、xB表示，然后根據環境光的強度分別調節背光源的三原色光強度。將背光模塊需要發出的三原色的光強分別用yR、yG、yB表示。使背光模塊需要發出的三原色光強與環境光的三原色光強的關系為：
式中，i 可取R、G、B; bi是環境光為0 時背光源第i 種顏色的光強，k i是參照自然界中普通物體在自然光照射下的光強特性而設定的，ki和bi都大于0，其值存儲在單片機中，并可以根據用戶的需要改變。
控制模塊通過三原色傳感器不斷對環境光的光強及背光模塊的三原色實際光強進行測量，控制LED 驅動集成電路輸出相應的PWM 信號，從而實現背光模塊的光強能根據周圍環境光的照度自動調節。
1. 3 手動調節光強度
如果用戶對自動調節的光強不滿意，可根據個人喜好手動調節背光模塊的光強。背光模塊調節前的三原色光強為yi，經人工調節后的三原色光強為y'i，通過y'i計算出b'i、k'i:
該二式計算出的b'i和k'i可能會非常小，針對這種情況，在電路中設置了bmini和kmini。比較b'i和bmini，將較大的值作為調整后的bi值存入電路中； 比較k'i和kmini，將較大的值作為調整后的ki值存入單片機中。從而完成對背光模塊光強和環境光強度之間關系的修改。
系統初始化時設定bi和ki的初始值為bsi和ksi，并存儲到單片機內，用戶可以通過按鍵使bi和ki還原到bsi和ksi。
2 驅動和檢測電路
座艙式顯示設備主要集中在中尺寸，本文設計的是7 寸液晶顯示器的背光驅動電路。檢測和驅動部分的電路原理圖如圖2 所示。
圖2 檢測和驅動部分的原理圖
電路中采用STC12C5624AD 單片機作為控制模塊； 采用National Semiconductor 生產的LM 2733 升壓電源，分別驅動紅、綠、藍三色LED; 以LM20 作為溫度傳感器，隨時檢測LED 的溫度，保證LED 正常工作； 選用光敏二極管MCS3AS 作為三原色傳感器，將光信號轉換為紅、綠、藍的三原色的電信號； 通過按鍵控制是否復位到初始值及手動調光。
為提高系統的可靠性，將液晶的背光模塊分為9個區域。同時，為濾除50Hz、60Hz 干擾信號，本電路對環境光及背光模塊的光強信號進行采樣時，采用1s 采樣600 個點求平均值的方法。
3 通訊模塊
為保證通訊的可靠性，本設計采用CAN 總線通訊。CAN 網絡是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡，其總線規范已被ISO 國際標準化組織制定為國際標準，并被公認為是最有前途的現場總線之一。由于其設計成本低、通訊可靠性高，廣泛應用于控制系統中各檢測和執行機構之間的數據通信。
將單片機、三原色傳感器、溫度傳感器、LED 驅動集成電路作為一個節點，采用SJA1000 和TJA1040作為節點的通訊器件。節點單片機將背光信息和環境光信息發送到CAN 總線上，同時也能夠接收到CAN 總線上的信息。本設計采用的傳輸速率為500kbps。
4 結論
以上通過對液晶顯示器背光源進行調研，結合座艙環境對顯示器的要求，設計了一種用于座艙的直下式RGB LED 背光驅動電路，它能自動或手動調節顯示器背光源的亮度。經測試使用，采用本設計技術的LCD 顯示屏在周圍光線較亮時仍具備可讀性，保證了顯示器顯示信息的安全性和可靠性。
由于本設計采用分區設計，其背光電路設計方案也可用于大尺寸液晶顯示器中。