1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　電氣工程及自動化</b></p><p>　　LED混色的原理及其解決方案的研究</p><p>　　摘要：本文從色度學(xué)和LED混色原理出發(fā),分析研究了三原色理論和LED在照明系統(tǒng)混色技術(shù)的應(yīng)用，通過這些基礎(chǔ)理論來協(xié)助設(shè)計人員解決高亮LED

2、混色照明的設(shè)計。</p><p>　　關(guān)鍵詞：三基色；混色；色度；LED</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　隨著科技的發(fā)展，半導(dǎo)體照明、電子廣告牌行業(yè)日異更新的步伐，具有壽命長，能耗低，應(yīng)用靈活，綠色環(huán)保等眾多優(yōu)點的高亮LED正在孕育一場新的產(chǎn)業(yè)革命，使我們的生活與工作環(huán)境豐富多彩，魅力四射。但是，因為LED本身

3、屬于半導(dǎo)體器件的特性，使得LED照明，LED顯示屏設(shè)計時需要面臨兩大挑戰(zhàn)——同種顏色的LED具有多種型號規(guī)格以及LED的性能隨溫度而降低的特性。這就要求設(shè)計者在進行LED照明、顯示屏混色設(shè)計時，必須做LED型號規(guī)格和溫度補償?shù)目紤]。LED型號規(guī)格和溫度補償算法設(shè)計不但算法復(fù)雜，而且還要求設(shè)計者有比較專業(yè)的色彩學(xué)理論知識。為了幫助廣大的設(shè)計者解決LED混色設(shè)計的挑戰(zhàn)，本文從色度學(xué)和LED混色原理出發(fā),分析研究了三基色理論和LED在照明系統(tǒng)

4、混色技術(shù)的應(yīng)用，通過這些基礎(chǔ)理論來協(xié)助設(shè)計者解決高亮LED混色照明的設(shè)計[1]。</p><p><b>　　2.三基色原理</b></p><p>　　三基色是指紅,綠,藍三色,人眼對紅、綠、藍最為敏感，大多數(shù)的顏色可以通過紅、綠、藍三色按照不同的比例合成產(chǎn)生。同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅綠藍三種色光。這是色度學(xué)的最基本原理，即三基色原理。紅綠藍三基色按照不同的

5、比例相加合成混色稱為相加混色，除了相加混色法之外還有相減混色法。可根據(jù)需要相加相減調(diào)配顏色[2]。</p><p>　　各種光源發(fā)出的光，由于光譜功率分布的差異，進入人眼后會顯現(xiàn)出各種不同的顏色。顏色可從感覺的觀點和物理上的觀點來分析，感覺上的觀點抓住色的視覺屬性，與它有關(guān)的概念稱作色的心理概念；而物理上的觀點注意到引起色的光性質(zhì)，用稱作三刺激值的量來表示。為了把心理概念上的色與物理概念上的色區(qū)分開來，把前者稱作

6、知覺色，后者稱作心理物理色。顏色的心理概念術(shù)語和數(shù)量，用來表示人眼的彩色視覺，主要包括明度、色調(diào)、飽和度。顏色的物理概念認為任何一種顏色光，都可以由3種相互獨立的單色光按一定的比例混合得到，選作3種單色光的條件是其中任一種單色光不能由其余兩種單色光相加混合得到，即它們是線性無關(guān)的。1931年CIE規(guī)定了RGB三基色系統(tǒng)的三基色(圖1)，但采用RGB系統(tǒng)時會出現(xiàn)負值給計算帶來不便，所以1931年又規(guī)定了一個新系統(tǒng)，即XYZ系統(tǒng)。在XYZ系

7、統(tǒng)中采用3個虛擬的基礎(chǔ)色(X)、(Y )和(Z)，分別代表紅、綠、藍三基色。這時任何顏色的光C可以表示成C=X(X)+Y(Y)+Z(Z) (1)式中的X、Y、Z稱為三刺激值。顏色光的色度坐標(biāo)(X，Y，Z)可通過式(2)計算出來[3]:</p><p>　　圖1:CIE 1931色彩空間色度圖表</p><p><b>　　3.LED發(fā)光原理</b></p>

8、<p>　　發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。其發(fā)光體——晶片的面積為10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前國際上出現(xiàn)大晶片LED，晶片面積達40mil。</p><p>　　其發(fā)過程包三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過該晶片時，帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時產(chǎn)

9、生光子。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應(yīng)，可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光[4]。</p><p>　　明光源的主流將是高亮度的白光LED。目前，已商品化的白光LED多是二波長，即以藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來較被看好的是三波長白光LED

10、，即以無機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光，它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及LED背光源等市場[4]。</p><p>　　4.LED照明混色方案的實現(xiàn)</p><p>　　4.1 EZ-Color控制器</p><p>　　EZ-Color控制器是Cypress生產(chǎn)的專門針對高亮LED照明混色應(yīng)用的可編程片上系統(tǒng)芯片。它主要由8位微處理器，可編程

11、模擬模塊和數(shù)字模塊，外加硬件乘法累加器，I2C，F(xiàn)lash, SRAM等周邊外圍模塊組成[5]。它除了能實現(xiàn)一般LED混色系統(tǒng)的計算控制功能之外，還可通過可編程模擬和數(shù)字模塊根據(jù)混色系統(tǒng)的具體要求靈活地實現(xiàn)所需的模擬與數(shù)字外圍功能。例如，可以通過內(nèi)部集成了16個可編程數(shù)字模塊的EZ-Color控制器CY8CLED16實現(xiàn)多至16路LED控制通道的LED照明混色系統(tǒng)，也可以設(shè)計成32位分辨率的4路LED控制通道的照明混色系統(tǒng)[6]。 為了

12、方便用戶簡單而快速地實現(xiàn)高亮LED混色設(shè)計，Cypress基于EZ-Color控制器和無代碼設(shè)計軟件構(gòu)建了三色LED混色模塊。這個混色模塊將PSoC內(nèi)部寄存器的配置，可編程模塊的內(nèi)部連線，包含LED型號規(guī)格和溫度補償算法軟件都已設(shè)計好了。當(dāng)用戶需要設(shè)計照明混色系統(tǒng)，只需像windows操作一樣將三色LED混色驅(qū)動選中后拖放到PSoC express的設(shè)計區(qū)里，所有的照明混色軟件都將自動生成[7]。</p><p>

13、;　　4.2 基于PSoC express的混色方案實現(xiàn)機制</p><p>　　EZ－Color控制器由輸進、輸出驅(qū)動和傳遞函數(shù)關(guān)系構(gòu)成，混色方案的實現(xiàn)機制如圖2所示[8]。由圖2可知 EZ－Color混色方案采用（y，y，Y）為輸進，輸出是RGB三色LED。三色LED 的硬件驅(qū)動采用了隨機信號強制調(diào)制（SSDM）用戶模塊。輸進（x，y，Y）按照CIE 1931色度圖的表征方法來表示EZ-Color的顏色輸進請

14、求信息，即x，y代表色調(diào)和色飽和度，反映顏色色度信息；而y代表光通量，反映顏色的亮度信息。SSDM 用戶模塊是賽普拉斯的精確照度信號調(diào)制（PrISM）技術(shù)的硬件實現(xiàn)[9]。</p><p>　　圖2：EZ-Color方案實現(xiàn)機制圖</p><p><b>　　5.結(jié)束語</b></p><p>　　本文對于LED照明系統(tǒng)的混色技術(shù)進行了理論分析

15、，研究了LED混色的原理和功能，對于混色照明系統(tǒng)的搭建和實現(xiàn)具有一定的指導(dǎo)意義。同時，用EZ-Color控制器實現(xiàn)LED照明系統(tǒng)的混色方案不僅使設(shè)計者無須學(xué)習(xí)混合色彩學(xué)，而且無須編制熱敏電阻等元件或 LED產(chǎn)品分級的查找表。更為突出的優(yōu)點是，EZ-Color能夠在短短幾分鐘之內(nèi)完成這些任務(wù)。采用這項LED混色技術(shù)，無須執(zhí)行C語言編碼，困為所用語言本身就模擬了標(biāo)準照明技術(shù)[10]。新的混色方案不僅具有集成度高、本錢低、靈活性太和易用性強等

16、特點，而且還能有效地解決低頻閃爍和電磁干擾[11]。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 李薇，劉方等. 情景照明系統(tǒng)的LED混色技術(shù)研究(上)[J].中國照明電器,2009(10):8～27.</p><p>　　[2] 荊其城,焦書蘭,哈柏林等.色度學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1979。</p&g

17、t;<p>　　[3] Gavin Hsesse.用于智能照明的LED混色技術(shù)[J].今日電子，2007（9）：84～85.</p><p>　　[4] 毛興斌，張艷雯,周建軍等. 新一代綠色光源LED 及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2008.</p><p>　　[5]艾曉輝. 基于EZ-Color控制器的高亮LED照明混色方案[J].電子產(chǎn)品世界,2007(1

18、0):72~76.</p><p>　　[6] 梁志穎.嵌入式系統(tǒng)晶片PSoC實作入門[M].臺灣：旗標(biāo)出版社，2009，9.</p><p>　　[7] 吳建.可編程PSoC的構(gòu)成及其系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004,27(17):63～65. </p><p>　　[8] 葉朝輝，華成英.可編程片上系統(tǒng)(PSoC)原理及實訓(xùn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2

19、008，5. </p><p>　　[9] 朱明程，李曉濱.PSoC原理與應(yīng)用設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008，3.</p><p>　　[10] Margery Conner.EZ-Color controller family simplifies HB-LED-lighting-system designs[J]. Electrical Design News，2007，5