呼吸灯要考虑伽马校正

1万 · 2020-7-18 10:00

在此博客**中，我将向您展示如何使用PWM正确控制LED的亮度。这并不像您想的那么简单！

PWM通过改变方波的占空比来工作，如下所示：

输出的平均电压等于VCC * k，因此改变占空比将改变连接到输出的LED的亮度。几乎每个微控制器都可以通过专用外设来支持PWM，或者您也可以通过软件自己实现！

然而，对LED进行PWM的通用方法存在问题。以以下Arduino代码为例：

void loop() {

    byte i = 0;

    while (1) {

        analogWrite(2, i);

        delay(10);

        i++;

    }

}

这将使arduino引脚2上的LED从暗变亮。但是您可能会注意到LED的褪色效果不是很好。起初它们看起来会很快消失，然后在全亮度下花费很长时间：

其背后的原因是因为人眼对光的响应不是线性的，而是对数的。那肯定会使事情复杂化！

要解决此问题，我们必须校正PWM值，以使其对人眼呈线性。

常见的误解是应使用伽玛校正，因为它对眼睛的反应非常相似。但是，伽玛校正与人类对光的感知方式无关，这似乎是巧合。在CIE 1931亮度公式是实际描述了我们如何感知光线：

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L* = 903.3 ∙ Y,            if Y ≤ 0.008856

L* = 116   ∙ Y^1/3 – 16,   if Y > 0.008856

其中Y是0.0到1.0之间的亮度（输出），L *是0到100之间的亮度（输入）

编辑：我混合了Y和L *，因此关系是错误的。**已更新以解决此问题
该公式需要根据L *重新排列：

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Y = (L* / 902.3)           if L* ≤ 8

Y = ((L* + 16) / 116)^3    if L* > 8

当然，由于功率和除法的原因，该公式在微控制器上实现太慢了，因此应改用查找表。我创建了一个简单的python脚本来生成一个C头文件，该文件可以简单地包含在项目中：

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INPUT_SIZE = 255       # Input integer size

OUTPUT_SIZE = 255      # Output integer size

INT_TYPE = 'const unsigned char'

TABLE_NAME = 'cie';



def cie1931(L):

    L = L*100.0

    if L <= 8:

        return (L/902.3)

    else:

        return ((L+16.0)/116.0)**3



x = range(0,int(INPUT_SIZE+1))

y = [round(cie1931(float(L)/INPUT_SIZE)*OUTPUT_SIZE) for L in x]



f = open('cie1931.h', 'w')

f.write('// CIE1931 correction table\n')

f.write('// Automatically generated\n\n')



f.write('%s %s[%d] = {\n' % (INT_TYPE, TABLE_NAME, INPUT_SIZE+1))

f.write('\t')

for i,L in enumerate(y):

    f.write('%d, ' % int(L))

    if i % 10 == 9:

        f.write('\n\t')

f.write('\n};\n\n')

生成的表如下所示：

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const unsigned char cie[256] = { 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, ..., 247, 250, 252, 255 };

根据所使用的微控制器，您可能需要更改类型，以便将值存储在ROM中而不是RAM中。
可以更改顶部的常量以适合微控制器。例如，如果您想使用10位PWM，则可以设置INT_SIZE=1024。这仍然会生成一个包含256个条目的表，但是输出将是10位。
由于这种转换会降低PWM的分辨率，因此使用10位PWM确实是明智的。这正是我在LED咖啡桌项目中所做的。
最后，使用查找表使LED褪色：

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#include "cie1931.h"



void loop() {

    byte i = 0;

    while (1) {

        analogWrite(2, cie[i]);

        delay(10);

        i++;

    }

}

现在，我们有线性衰减的LED！

1万 · 2020-7-18 11:05

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/*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/

/*                                                                                                         */

/* Copyright(c) 2019 Nuvoton Technology Corp. All rights reserved.                                         */

/*                                                                                                         */

/*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/



//***********************************************************************************************************

//  Website: http://www.nuvoton.com

//  E-Mail : MicroC-8bit@nuvoton.com

//  Date   : Jan/21/2019

//***********************************************************************************************************



//***********************************************************************************************************

//  File Function: ML51 GPIO toggle demo code

//***********************************************************************************************************

#include "ML51.H"

#include "math.h"





//----------------------------------------------------------------------------------------------//

void main (void)

{

        int i=0;

        unsigned int j=0;

const unsigned char cie[256] = {

        0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 

        1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 

        2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 

        3, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 

        5, 5, 6, 6, 6, 6, 6, 7, 7, 7, 

        7, 8, 8, 8, 8, 9, 9, 9, 10, 10, 

        10, 10, 11, 11, 11, 12, 12, 12, 13, 13, 

        13, 14, 14, 15, 15, 15, 16, 16, 17, 17, 

        17, 18, 18, 19, 19, 20, 20, 21, 21, 22, 

        22, 23, 23, 24, 24, 25, 25, 26, 26, 27, 

        28, 28, 29, 29, 30, 31, 31, 32, 32, 33, 

        34, 34, 35, 36, 37, 37, 38, 39, 39, 40, 

        41, 42, 43, 43, 44, 45, 46, 47, 47, 48, 

        49, 50, 51, 52, 53, 54, 54, 55, 56, 57, 

        58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 

        68, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 79, 

        80, 81, 82, 83, 85, 86, 87, 88, 90, 91, 

        92, 94, 95, 96, 98, 99, 100, 102, 103, 105, 

        106, 108, 109, 110, 112, 113, 115, 116, 118, 120, 

        121, 123, 124, 126, 128, 129, 131, 132, 134, 136, 

        138, 139, 141, 143, 145, 146, 148, 150, 152, 154, 

        155, 157, 159, 161, 163, 165, 167, 169, 171, 173, 

        175, 177, 179, 181, 183, 185, 187, 189, 191, 193, 

        196, 198, 200, 202, 204, 207, 209, 211, 214, 216, 

        218, 220, 223, 225, 228, 230, 232, 235, 237, 240, 

        242, 245, 247, 250, 252, 255, 

};



                

                //PWM时钟源为系统时钟FSYS

        PWM0_ClockSource(PWM_FSYS,128); 



        MFP_P03_PWM0_CH2;

        P03_PUSHPULL_MODE;

        PWM0_ConfigOutputChannel(2,Independent,EdgeAligned,0x6FF,100);

        PWM0_RUN();

  while(1)

  {

                for(i=0;i<=255;i++)

                                {

                                Timer3_Delay(24000000,4,1,10000);

                                set_PWM0CON0_LOAD;

//                PWM0_ConfigOutputChannel(2,Independent,EdgeAligned,0x6FF,i);

                                SFRS = 0x01;

//设置周期

                                PWM0PH = 0;

                                PWM0PL = 255;                

//设置 高电平，高电平除以周期就是占空比                                        

                                PWM0C2H=0;

                                PWM0C2L=cie[i];

                                        

                                }

                for(i=255;i>=0;i--)

                                {

                                Timer3_Delay(24000000,4,1,10000);

                                set_PWM0CON0_LOAD;

//                PWM0_ConfigOutputChannel(2,Independent,EdgeAligned,0x6FF,i);

                                SFRS = 0x01;



                                PWM0PH = 0;

                                PWM0PL = 255;                                        

                                PWM0C2H=0;

                                PWM0C2L=cie[i];

                                        

                                }

                        }

}

1万 · 2020-7-18 11:06

实际上计数器是16位的，可以更好的利用起来，不用查表法肯定就不适合了。哈哈。

只看该作者 · 2020-7-18 11:39

有空验证一下，看做出来的呼吸灯是不是更好看一些。

1万 · 2020-7-18 15:39

没看懂啊，具体公式是什么。

只看该作者 · 2020-7-18 15:50

把这部分用PYTHON运行一下，慢慢的理解。没有解释真的好难看懂。

1万 · 2020-7-18 16:20

难以理解。啊

1万 · 2020-7-18 16:20

qiangtech 发表于 2020-7-18 15:50
把这部分用PYTHON运行一下，慢慢的理解。没有解释真的好难看懂。

这个好像是生成一个头文件的。不知道这个公式怎么理解，没懂，这个只能生成0到255的，那么如果是16位的，如何计算0到0xFFFF的呢。

只看该作者 · 2020-7-18 17:35

734774645 发表于 2020-7-18 16:20
这个好像是生成一个头文件的。不知道这个公式怎么理解，没懂，这个只能生成0到255的，那么如果是16位的， ...

把INPUT_SIZE ,OUTPUT_SIZE改为65535，但好多MCU都没有这大的ROM，所以分辨率这么高有没有现实意义？

1万 · 2020-7-18 19:44

前来取经。

1万 · 2020-7-18 19:44

qiangtech 发表于 2020-7-18 17:35
把INPUT_SIZE ,OUTPUT_SIZE改为65535，但好多MCU都没有这大的ROM，所以分辨率这么高有没有现实意义？ ...

说的是，那么精细的曲线，人眼也看不出来有多少变化，得不偿失。

只看该作者 · 2020-8-31 13:03

学习了

只看该作者 · 2020-9-1 18:49

呼吸灯有必要做成这样的吗？人眼能够分辨出来吗？还是给机器用的呢？

只看该作者 · 2021-7-16 11:23

呼吸灯的话，这样似乎过于复杂了，
但是，好像在其他应用上，貌似可以学习这种方法

只看该作者 · 2021-7-19 16:05

本帖最后由 aple0807 于 2021-7-19 16:09 编辑

直接用递归乘加就是呼吸效果，变亮 out = out + out * k 。变暗 out=out - out * k
k为系数，out为输出。加一个最大值最小值限定就可以了。

实际上，只要满足值越大，变化增量越大的函数都可以，我测试了很多，这个函数效果是我用过的最好的。