1、毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 LED 混色的原理及其解决方案的研究 摘要： 本文从色度学和 LED 混色原理出发 ,分析研究了三原色理论和 LED 在照明系统混色技术的应用，通过这些基础理论来 协助设计人员解决 高亮 LED 混色照明的设计。 关键词 ：三基色；混色；色度； LED 1.引言 随着科技的发展，半导体照明、电子广告牌行业日异更新的步伐，具有寿命长，能耗低，应用灵活，绿色环保等众多优点的高亮 LED 正在孕育一场新的产业革命，使我们的生活与工作环境丰富多彩，魅力四射。但是，因为 LED 本身属于半导体器件的特性，使得 LED 照明， LED 显示屏设计时需要面临两大挑战 同
2、种颜色的 LED 具有多种型号规格以及 LED 的性能随温度而降低的特性。这就要求设计者在进行 LED 照明、显示屏混色设计时，必须做 LED 型号规格和温度补偿的考虑。 LED型号规格和温度补偿算法设计不但算法复杂，而且还要求设计者有比较专业的色彩学理论知识。为了帮助广大的设计者解决 LED 混色设计的挑战， 本文从色度学和 LED 混色原理出发 ,分析研究了三基色理论和 LED 在照明系统混色技术的应用，通过这些基础理论来 协助设计 者 解决 高亮 LED 混色照明的设计 1。 2.三基色原理 三基色 是指红 ,绿 ,蓝三色 ,人眼对红、绿、蓝最为敏感，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按
3、照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色，除了相加混色法之外还有相减混色法。可根据需要相加相减调配颜色 2。 各种光源发出的光，由于光谱功率分布的差异，进入人眼后会显现出各种不同的颜色。颜色可从感觉的观点和物理上的观点来分析，感觉上的观点抓住色的视觉属性，与它有关的概念称作色的心理概念；而物理上的观点注意到引起 色的光性质，用称作三刺激值的量来表示。为了把心理概念上的色与物理概念上的色区分开来，把前者称作知觉色，后者称作心理物理色。颜色的心理概念术语和数量，用来表示人眼的彩色视觉
4、，主要包括明度、色调、饱和度。颜色的物理概念认为任何一种颜色光，都可以由 3 种相互独立的单色光按一定的比例混合得到，选作 3 种单色光的条件是其中任一种单色光不能由其余两种单色光相加混合得到，即它们是线性无关的。 1931 年 CIE 规定了 RGB三基色系统的三基色 (图 1)，但采用 RGB 系统时会出现负值给计算带来不便，所以 1931 年又规定了一个新系统，即 XYZ 系统。在 XYZ 系统中采用 3 个虚拟的基础色 (X)、 (Y )和 (Z)，分别代表红、绿、蓝三基色。这时任何颜色的光 C 可以表示成 C=X(X)+Y(Y)+Z(Z) (1)式中的 X、 Y、 Z 称为三刺激值。
5、颜色光的色度坐标 (X， Y， Z)可通过式 (2)计算出来 3: 图 1:CIE 1931 色彩空间色度图表 3.LED 发光原理 发光二极管主要由 PN 结芯片、电极和光学系统组成。其发光体 晶片的面积为 10.12mil（ 1mil=0.0254 平方毫米），目前国际上出现大晶片 LED，晶片面积达 40mil。 其发过程包 三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来
6、与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光 4。 明光源的主流将是高亮度的白光 LED。目前，已商品化的白光 LED 多是二波长，即以蓝光单晶片加上 YAG 黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光 LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及 LED 背光源等市场 4。 4.LED照明混色方案的实现 4.1 EZ-Color 控制器 EZ-Color 控制器是 Cypress 生产的专门针对高亮 LED 照明混色应用的可
7、编程片上系统芯片。它主要由 8 位微处理器，可编程模拟模块和数字模块，外加硬件乘法累加器， I2C， Flash, SRAM 等周边外围模块组成 5。它除了能实现一般 LED 混色系统的计算控制 功能之外，还可通过可编程模拟和数字模块根据混色系统的具体要求灵活地实现所需的模拟与数字外围功能。例如，可以通过内部集成了 16 个可编程数字模块的 EZ-Color 控制器 CY8CLED16 实现多至 16路 LED 控制通道的 LED 照明混色系统，也可以设计成 32 位分辨率的 4 路 LED 控制通道的照明混色系统 6。 为了方便用户简单而快速地实现高亮 LED 混色设计， Cypress 基
8、于 EZ-Color 控制器和无代码设计软件构建了三色 LED混色模块。这个混色模块将 PSoC 内部寄存器的配置，可编程模块的内部连线，包含 LED 型号规格和 温度补偿算法软件都已设计好了。当用户需要设计照明混色系统，只需像 windows 操作一样将三色 LED 混色驱动选中后拖放到 PSoC express 的设计区里，所有的照明混色软件都将自动生成 7。 4.2 基于 PSoC express 的混色方案实现机制 EZ Color 控制器由输进、输出驱动和传递函数关系构成，混色方案的实现机制如图 2 所示 8。由图 2 可知 EZ Color 混色方案采用（ y， y， Y）为输进，
9、输出是 RGB 三色 LED。三色 LED 的硬件驱动采用了随机信号强制调制（ SSDM）用户模块。输进（ x， y， Y）按照 CIE 1931 色度图的表征方法来表示 EZ-Color 的颜色输进请求信息，即 x， y 代表色调和色饱和度，反映颜色色度信息；而 y 代表光通量，反映颜色的亮度信息。 SSDM 用户模块是赛普拉斯的精确照度信号调制（ PrISM）技术的硬件实现 9。 图 2： EZ-Color 方案实现机制图 5.结束语 本文对于 LED 照明系统的混色技术进行了理论分析，研究了 LED 混色的原理和功能，对于混色照明系统的搭建和实现具有一定的指导意义。同时，用 EZ-Col
10、or 控制器实现 LED 照明系统的混色方案不仅使设计者无须学习混合色彩 学，而且无须编制热敏电阻等元件或 LED 产品分级的查找表。更为突出的优点是， EZ-Color 能够在短短几分钟之内完成这些任务。采用这项 LED 混色技术，无须执行 C 语言编码，困为所用语言本身就模拟了标准照明技术 10。新的混色方案不仅具有集成度高、本钱低、灵活性太和易用性强等特点，而且还能有效地解决低频闪烁和电磁干扰 11。 参考文献 1 李薇，刘方等 . 情景照明系统的 LED 混色技术研究 (上 )J.中国照明电器 ,2009(10):8 27. 2 荆其城 ,焦书兰 ,哈柏林等 .色度学 M.北京 :科学
11、出 版社 ,1979。 3 Gavin Hsesse.用于智能照明的 LED 混色技术 J.今日电子， 2007（ 9）： 84 85. 4 毛兴斌，张艳雯 ,周建军等 . 新一代绿色光源 LED 及其应用技术 M.北京 :人民邮电出版社 ,2008. 5艾晓辉 . 基于 EZ-Color 控制器的高亮 LED 照明混色方案 J.电子产品世界 ,2007(10):7276. 6 梁志颖 .嵌入式系统晶片 PSoC 实作入门 M.台湾：旗标出版社， 2009， 9. 7 吴建 .可编程 PSoC 的构成及其系统设计 J.现代电子技 术， 2004,27(17):63 65. 8 叶朝辉，华成英
12、.可编程片上系统 (PSoC)原理及实训 M.北京：清华大学出版社， 2008， 5. 9 朱明程，李晓滨 .PSoC 原理与应用设计 M.北京：机械工业出版社， 2008， 3. 10 Margery Conner.EZ-Color controller family simplifies HB-LED-lighting-system designsJ. Electrical Design News， 2007， 52(13)： 7679. 11 Karl Ernemann. Monaco Color Management Systems: Ez Remedy for the color managementbluesJ. Studio Photography & Design， 2004， 7（ 3）： 32 35.
