CN101459993A - 控制面板背景灯装置及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能控制面板背景灯装置，包括发光二极管阵列和用于控制发光二极管阵列的可编程控制器，可编程控制器包括程序控制模块和逻辑控制模块，程序控制模块接收和处理外部输入信息并生成发光二极管阵列控制指令，逻辑控制模块响应所述指令生成阵列控制信号，控制发光二极管阵列相应行列上的发光二极管发光。可编程控制器可为现场可编程门阵列，而程序控制模块为在所述现场可编程门阵列上实现的嵌入式CPU。本发明还公开了一种上述面板背景灯的控制装置。本发明解决了背景灯装置发光二极管阵列控制器与用户控制程序接口难的问题，支持个性化的背景灯亮灭和亮度设置，支持自动调节背景灯亮度，控制灵活，结构简单，系统集成度高。

Description

控制面板背景灯装置及其控制装置

【技术领域】

本发明涉及超声图像设备的控制面板的背景灯控制，具体涉及一种智能控制面板背景灯装置及其控制装置。

【背景技术】

控制面板通常是超声图像设备最重要的人机接口，其包含很丰富的元素如按键、轨迹球，滑杆等等。由于操作环境通常为暗室，控制面板需要自备照明功能。为了保证照明的均匀性，并满足指示需要，通常控制面板上的每个按键需要配备1～4个LED(light emitting diode，发光二极管)，整个控制面板的LED将多达100～200个，且其中有的功能按键往往需要被独立控制，因此，应当能够独立、灵活地控制控制面板上的每一个LED单元。

现有的LED控制方法主要有静态控制和动态扫描两种。静态控制方法要求每个LED单元有一根控制线，此方法在LED数量较大时控制线过多，不适合实际应用。动态扫描方法采用轮循的方式点亮LED，当LED点亮的频率超过50Hz时，人眼看到的LED是常亮的。这种控制方法所需信号线数量等于LED阵列的行数与列数之和。动态扫描方案原理如图1所示，图中，每个LED都在行列控制的一个节点上，当该节点的行列信号都有效时，该节点的LED被点亮。动态扫描时序控制单元通常为单片机或CPLD(复杂可编程逻辑器件)等逻辑时序器件。常见的控制方法为：固定行(或列)扫描频率，并根据LED状态控制相应的列(或行)信号。

现有技术存在以下两个方面的缺点：

(1)采用单片机控制的方案，由于通用IO管脚数量有限，不能满足大型LED阵列控制的需要，而采用CPLD等逻辑器件控制的方案，与用户控制程序的接口问题较难解决，用户控制不够灵活。若采用单片机加逻辑器件的控制方案，则增加了板上的元件数量，牺牲了整个系统的集成度；

(2)方便、智能地调整控制面板背景灯亮度是各类仪器设备的应用需要，例如，便携超声图像设备常在医生出诊时使用，而外部环境的照明情况往往差别较大，采用恒定的亮度往往没有必要，另一方面，由于控制面板上的LED数量较大，其功耗对于便携设备的总体功耗来说就不可忽略。已知的技术不支持用户通过应用软件连续调节背景灯亮度，因而无法实时地满足用户需求，且无法达到便携设备节能的要求。

【发明内容】

本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种智能控制面板背景灯，在保证电路结构简单的同时，实现用户对大型发光二极管阵列灵活控制的需求。

本发明更进一步的目的在于，提供一种能够根据用户要求和环境光强进行亮度调节的智能控制面板背景灯。

本发明另一目的是提供一种用于上述面板背景灯的控制装置。

为实现上述目的，本发明提供一种智能控制面板背景灯装置，包括发光二极管阵列和用于控制所述发光二极管阵列的可编程控制器，所述可编程控制器包括程序控制模块和逻辑控制模块，所述程序控制模块接收和处理外部输入信息并生成发光二极管阵列控制指令，所述逻辑控制模块响应所述指令生成阵列控制信号，控制发光二极管阵列相应行列上的发光二极管发光。

所述可编程控制器为现场可编程门阵列，所述程序控制模块为在所述现场可编程门阵列上实现的嵌入式CPU。

所述外部输入信息为上位机的控制命令。

所述逻辑控制模块包括行控制单元和列控制单元，所述行控制单元的输出端分别耦合到所述发光二极管阵列中各行发光二极管的阳极/阴极，所述列控制单元的输出端分别耦合到所述发光二极管阵列中各列发光二极管的阴极/阳极。

所述行控制单元响应所述指令，按位选方式输出行有效信号；所述列控制单元响应所述指令按扫描方式输出具有相应扫描频率和占空比的列有效信号。

还包括用于检测环境光强的检测模块，所述光强检测模块将检测到的环境光强转换为检测信号后输出至所述程序控制模块，所述程序控制模块根据所述检测信号生成相应的指令，所述列控制单元响应所述指令，调节所述列有效信号的占空比。

为实现上述目的，本发明还提供一种面板背景灯控制装置，包括用于控制发光二极管阵列发光的可编程控制器，所述可编程控制器包括程序控制模块和逻辑控制模块，所述程序控制模块接收和处理外部输入信息并生成发光二极管阵列控制指令，所述逻辑控制模块响应所述指令生成阵列控制信号，控制发光二极管阵列相应行列上的发光二极管发光。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

在本发明中，控制面板背景灯装置的可编程控制器包括程序控制模块和逻辑控制模块，程序控制模块负责接收和处理外部输入信息并生成LED阵列控制指令，逻辑控制模块则响应所述指令生成阵列控制信号，控制发光二极管阵列相应行列上的发光二极管发光。通过在可编程控制器中专门设置程序控制模块，如优选采用FPGA(现场可编程门阵列)作为可编程控制器并在FPGA上例化生成嵌入式CPU，作为数据处理与控制核心，该嵌入式CPU建立在FPGA内部，嵌入式CPU直接与上位机用户应用程序交互，接收处理用户命令、指令并控制FPGA各时序逻辑协同运作，控制LED阵列相应行列上的LED发光，从而不需要在可编程控制器如CPLD外围再增设如单片机之类的各种控制芯片，加强了整个系统的集成度，简化了电路的结构，在实现控制灵活性的同时大大降低了系统的复杂程度。

优选的方案中，逻辑控制模块中的列控制单元包括频率控制和亮度控制，程序控制模块接收用户指令，通过控制列有效信号的占空比即可改变LED的有效发光时间，从而允许用户使用本发明的控制面板背景灯时对LED的亮度进行连续调节，支持用户个性化的背景灯亮度设置以及节能的要求。

增加了环境光强检测模块，程序控制模块能根据测得的环境光强信号，控制LED的有效发光时间，实现背景灯亮度的自动调整，达到智能、自主节能的效果。

【附图说明】

图1为现有控制面板背景灯LED阵列的结构示意图；

图2为本发明实施例一控制面板背景灯的结构框图；

图3为本发明实施例一的LED阵列结构示意图；

图4为本发明实施例一的LED列控制时序示意图；

图5为本发明实施例一控制面板背景灯的亮度控制原理图；

图6为本发明实施例二的亮度检测模块结构示意图。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【具体实施方式】

实施例一：

如图2所示，智能控制面板背景灯包括LED阵列和用于控制LED阵列发光的可编程控制器，该可编程控制器包括程序控制模块和逻辑控制模块。程序控制模块负责接收和处理外部输入信息并生成LED阵列控制指令，逻辑控制模块响应该LED阵列控制指令生成阵列控制信号，控制LED阵列相应行和列上的LED发光。本实施例的可编程控制器采用FPGA，程序控制模块为在FPGA上实现的嵌入式CPU，优选为嵌入式软核，它是通过对FPGA内部的逻辑单元例化而生成的软控制核心。利用FPGA和嵌入式CPU能够很方便地实现大型的LED阵列控制。该嵌入式CPU作为程序控制模块即可编程控制器的核心处理单元与上位机应用程序交互，接收来自上位机根据用户的操作而生成的控制命令，生成执行指令并控制可编程控制器的逻辑控制模块(包含FPGA的其它逻辑控制单元)协同运作，从而实现对LED阵列中各LED亮灭的时序控制。更优选地，该嵌入式CPU采用32bit位宽的数据总线，外围设备和FPGA的接口电路按照需要定制，例如在系统中设置USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)端口来建立程序控制模块与上位机的通讯连接。嵌入式CPU与上位机的连接也可以采用RS232标准接口。当上位机运行LED阵列的管理应用软件时，用户管理信息由上位机处理器接收处理，通过上、下位机的之间数据通道、FPGA接口电路送至嵌入式CPU，嵌入式CPU与上位机信息交互，经处理生成LED阵列控制指令，指令逻辑控制模块输出相应的LED阵列控制信号，控制LED的亮灭。由于FPGA与其它时序逻辑器件如CPLD相比有着更丰富的IO接口资源，而FPGA本身又具有充裕的逻辑处理资源，因此对于通过上位机应用程序来控制受控元素数量较大的控制面板灯非常适用和方便。

受控LED阵列结构如图3所示。该LED阵列采用类似于现有技术的动态扫描式电路结构。本实施例的LED阵列为4列38行，每个行列相交的节点上设置一个LED，总共有152个LED发光单元，LED阵列的每行上LED的阴极互连并引出行控制线，LED阵列的每列上LED的阳极互连并引出列控制线。相应地，在控制端，FPGA的逻辑控制模块包括行控制单元和列控制单元，其均由FPGA中的时序逻辑实现。行控制单元的输出端通过行控制线分别耦合到LED阵列中各行发光二极管的阴极，列控制单元的输出端通过列控制线分别耦合到LED阵列中各列发光二极管的阳极。

行控制单元以LED位控制寄存器作为与CPU软核的接口，它响应来自CPU软核的LED阵列控制指令，按位选方式从其输出端输出行有效信号至相应的行控制线，以行为单位控制LED阵列的亮灭。位即某一列上各行所处地址位置的标示，不同的行对应为不同的位，行控制单元输出按位选择的控制信号，当某一位被选中时，该LED阵列对应行被置为有效，该行上各LED的阴极获得工作态使能电平。

列控制单元包括频率控制和亮度控制两部分，它以扫描频率控制寄存器和扫描亮度控制寄存器作为与CPU软核的接口。列控制单元响应来自CPU软核的LED阵列控制指令，按扫描方式输出具有相应扫描频率和占空比的列有效信号至各列控制线，该列有效信号对各列LED逐列扫描。

如图4所示，扫描频率控制寄存器控制输出列信号的扫描频率，扫描亮度控制寄存器控制输出列信号的脉冲占空比，一个扫描周期T内对LED阵列全部列：列一～列四作一次扫描，扫描频率为1/T，对于各列的扫描脉冲信号周期分别为：T_r1～T_r4，满足T_r1+T_r2+T_r3+T_r4≤T，上述各周期均可调控。一周期T中，可控制T_r1～T_r4，即控制输出的列有效信号关于各列的占空比，从而实现各列背景灯亮度的调节。对本实施例4列38行的LED矩阵，设置T_r1～T_r4＝Tr，各列有效周期最大值为T/4。

通过控制列有效信号的占空比来调控LED发光亮度的原理如下。

LED阵列亮度由单个LED平均功率决定，设行信号为有效，则LED平均功率计算公式为：

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{LED}}}=U_{\mathrm{LED}}\×\stackrel{\‾}{L_{\mathrm{LED}}}=U_{\mathrm{LED}}\×\frac{U_R}{R}\×\frac{T_r}{T}=U_{\mathrm{LED}}\×\frac{U_R}{R}\×K_{\mathrm{LED}}=P_{\mathrm{LED}}\×K_{\mathrm{LED}}$

上式中，R为LED限流电阻阻值，U_R为LED限流电阻上的压降，K_LED为LED列信号占空比( $K_{\mathrm{LED}}=\frac{T_r}{T}$ $K_{\mathrm{LED}}\∈(0,\frac{1}{4})$ )。P_LED为LED点亮时的瞬态功率，其大小由限流电阻阻值决定，是固定的。由上式可看出，通过调整列有效信号的占空比可以改变LED的平均功率，从而调整LED阵列的整体发光强度，实现对控制面板背景灯亮度的调整。

工作时，程序控制模块根据上位机应用程序的执行状态，生成关于LED阵列行的位选指令，逻辑控制模块响应该位选指令，经处理后由其中的行控制单元输出行有效信号，使得LED阵列的相应行的LED阴极电平成为其工作态使能电平；同时，程序控制模块根据上位机应用程序的执行状态，生成列的扫描指令，包括关于扫描频率和占空比的控制指令，扫描控制单元响应该控制指令，输出具有相应扫描频率和占空比的列有效信号，使得各列的LED阳极轮循获得该频率和占空比的工作态使能电平。按照FPGA的时序控制，当某一行列节点的LED的阴极和阳极在同一时刻获得其工作态电平信号时，该LED被点亮。请参见图5，在实际运行过程中，用户通过上位机应用软件设定背景光亮度，上位机的处理单元将用户命令通过USB口传给可编程控制器的程序控制模块即CPU软核，CPU软核输出关于占空比的控制指令至扫描亮度寄存器，设置、修改逻辑控制模块输出给LED阵列的列有效信号的占空比。扫描亮度寄存器位宽为8bit，故可实现2⁸即0～255级的亮度控制。由于亮度等级的细化，本实施例可在一定程度上实现LED亮度的连续调整。

除了用于照亮控制面板按键的LED阵列之外，控制面板背景灯还可以包括其它一些特色的照明元素如发光轨迹球、滑杆等，利用FPGA外围丰富的IO接口，同样可以通过上位机软件配合FPGA的嵌入式软核，实现对其它照明元素的控制。

实施例二：

与实施例一相比，本实施例的区别在于增加了用于检测环境光强的亮度检测模块。亮度检测模块将检测到的环境光强转换为检测信号后输出至程序控制模块，程序控制模块根据该检测信号生成相应的亮度调节指令，逻辑控制模块响应该亮度调节指令，调整其输出的列有效信号的占空比，使LED阵列的发光亮度达到与环境光强相适应的状态。

如图6所示，亮度检测模块采用已知的感光传感器，其对各种波长光的感知特性与人眼近似，能够精确反应环境的光照强度。感光传感器的电信号输出端通过精密电阻接地，并通过放大电路、AD采样电路以及必要的接口电路耦合到可编程控制器的嵌入式CPU的输入端。感光传感器输出的电流大小基本和光照强度成线型关系，电流信号由分压电阻转换为电压信号后送至放大电路，再经A/D采样，将模拟的电压信号转换成可由可编程控制器即FPGA处理的数字信号，FPGA的CPU软核接收采样到的数字信号，对信号进行标定处理，并根据当前的光照强度，输出相应的亮度调节指令以调整LED矩阵的发光亮度。若光照强则适当降低亮度，反之则适当增加亮度。亮度调节指令对LED阵列的亮度调节原理与实施例一中的亮度控制类似，即控制输出的列有效信号的占空比，进而实现对LED平均功率的调节。由此，本实施例的控制面板背景灯在实施例一的基础上可进一步实现亮度自动调整。由于控制面板背景灯的LED数量较大，LED阵列功耗达150～200mA，这样的功耗对电子设备尤其是普通的便携仪器来说是不能忽略的。采用本实例的控制面板背景灯，当使用环境光线不暗时，可自动将LED亮度降低，达到节能的目的，实现设备的低功耗与智能化。

同样，上位机也可以方便地对控制面板底层的LED阵列进行操控，从而提供给设备使用者友好的操作界面，并允许设备使用者根据喜好设定控制面板背景灯亮度。

此外，亮度检测模块还可用于判断设备显示器面板的开合状态。亮度检测模块对环境光强进行实时检测，并据此判断设备是否已被打开，当检测到一定的环境光强时开启系统，从而起到传统设备中的位置开关的作用。

本发明实现了对大数量LED阵列的灵活控制，允许上位机通过软件对背景灯亮度进行连续调整，在保证系统结构简单的前提下，极大地方便了用户的控制与使用，进一步地，还可根据环境光照强度自动调节控制面板背景灯亮度。本发明可用在需要有背景照明的各种设备的控制面板上，例如医疗领域的超声诊断设备及其他需要复杂LED阵列背景灯控制的设备，改进后还适合用于需要根据光照强度改变输出亮度的系统。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能控制面板背景灯装置，包括发光二极管阵列和用于控制所述发光二极管阵列的可编程控制器，其特征在于：所述可编程控制器包括程序控制模块和逻辑控制模块，所述程序控制模块接收和处理外部输入信息并生成发光二极管阵列控制指令，所述逻辑控制模块响应所述指令生成阵列控制信号，控制发光二极管阵列相应行列上的发光二极管发光。

2.如权利要求1所述的智能控制面板背景灯装置，其特征在于：所述可编程控制器为现场可编程门阵列，所述程序控制模块为在所述现场可编程门阵列上实现的嵌入式CPU。

3.如权利要求2所述的智能控制面板背景灯装置，其特征在于：所述外部输入信息为上位机的控制命令。

4.如权利要求1至3中任一项所述的智能控制面板背景灯装置，其特征在于：所述逻辑控制模块包括行控制单元和列控制单元，所述行控制单元的输出端分别耦合到所述发光二极管阵列中各行发光二极管的阳极/阴极，所述列控制单元的输出端分别耦合到所述发光二极管阵列中各列发光二极管的阴极/阳极。

5.如权利要求4所述的智能控制面板背景灯装置，其特征在于：所述行控制单元响应所述指令，按位选方式输出行有效信号；所述列控制单元响应所述指令按扫描方式输出具有相应扫描频率和占空比的列有效信号。

6.如权利要求5所述的智能控制面板背景灯装置，其特征在于：还包括用于检测环境光强的检测模块，所述光强检测模块将检测到的环境光强转换为检测信号后输出至所述程序控制模块，所述程序控制模块根据所述检测信号生成相应的指令，所述列控制单元响应所述指令，调节所述列有效信号的占空比。

7.一种面板背景灯控制装置，包括用于控制发光二极管阵列发光的可编程控制器，其特征在于：所述可编程控制器包括程序控制模块和逻辑控制模块，所述程序控制模块接收和处理外部输入信息并生成发光二极管阵列控制指令，所述逻辑控制模块响应所述指令生成阵列控制信号，控制发光二极管阵列相应行列上的发光二极管发光。

8.如权利要求7所述的面板背景灯控制装置，其特征在于：所述可编程控制器为现场可编程门阵列，所述程序控制模块为在所述现场可编程门阵列上实现的嵌入式CPU，所述外部输入信息为上位机的控制命令。

9.如权利要求7或8所述的面板背景灯控制装置，其特征在于：所述逻辑控制模块包括行控制单元和列控制单元，所述行控制单元的输出端分别耦合到所述发光二极管阵列中各行发光二极管的阳极/阴极，所述行控制单元响应所述指令，按位选方式输出行有效信号；所述列控制单元的输出端分别耦合到所述发光二极管阵列中各列发光二极管的阴极/阳极，所述列控制单元响应所述指令按扫描方式输出具有相应扫描频率和占空比的列有效信号。

10.如权利要求9所述的面板背景灯控制装置，其特征在于：还包括用于检测环境光强的检测模块，所述光强检测模块将检测到的环境光强转换为检测信号后输出至所述程序控制模块，所述程序控制模块根据所述检测信号生成相应的指令，所述列控制单元响应所述指令，调节所述列有效信号的占空比。

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