Franchir le Fossé de Connaissance entre l`éclairage Intelligent et le

Franchir le Fossé de Connaissance entre l’éclairage Intelligent et le Marché des
Microcontrôleurs
By (Gavin Hesse, Product Marketing Engineer, Cypress Semiconductor Corp.)
Résumé
Le potentiel du nouveau marché des DEL à Haute Luminosité ne pourra s’exprimer pleinement qu’à l’aide de nouveaux outils
et de nouvelles techniques, notamment la technologie des microcontrôleurs. De nombreux ingénieurs spécialistes en
éclairage vont devoir se former rapidement à l’emploi des microcontrôleurs, c’est pourquoi la disponibilité d’outils permettant
une conception efficace est nécessaire, y compris pour de simples designs mono-couleur. La technologie EZ-Color de
Cypress Semiconductor utilise la puissance de PSoC Express pour franchir ce fossé de connaissance, réduisant le délai de
mise sur le marché, facilitant l’intégration de fonctionnalités variées, et apportant aux utilisateurs un avantage crucial dans un
marché compétitif.
On a déjà beaucoup écrit sur l’émergence des DEL à Haute Luminosité et sur leur potentiel révolutionnaire dans le domaine
de l’éclairage intelligent. Finies les lampes à éclairage blanc uniforme, finis les systèmes compliqués à miroir pour déformer
les longueurs d’onde. Impossible aujourd’hui de négliger l’étendue de la gamme de couleurs rendues possibles par la
combinaison de DEL. Beaucoup de sociétés découvrent actuellement que s’en tenir aux anciennes solutions est un risque
qu’il est dangereux de prendre et, bon gré mal gré, commencent à entreprendre la mutation.
C’est au moment d’accomplir cette transition que de nombreux ingénieurs spécialistes de l’éclairage traditionnel découvrent
sur le chemin une lacune critique : si leur confrérie a une expertise approfondie des mécanismes d’alimentation, des
problèmes de conception mécaniques, du contrôle en courant et en tension, cela ne suffit plus pour la réalisation d’un design.
Désormais la présence d’une intelligence concrétisée par un microcontrôleur ou un FPGA est impérative, même pour une
fonction aussi basique que le balayage d’un spectre ou le maintien d’une couleur. La gestion de la gamme de couleur des
DEL impose un contrôle intelligent pour se ‘verrouiller’ avec précision sur une couleur donnée quelles que soient les
conditions d’environnement.
C’est dans la connaissance du monde du microcontrôleur que réside le problème : si l’on ne connait pas le langage C,
l’architecture, la terminologie des microcontrôleurs, pour ne citer que quelques caractéristiques, alors le ticket d’entrée peut
s’avérer coûteux afin d’acquérir les connaissances. Si l’on décide de s’investir personnellement le temps mis à se former aux
fondamentaux des microcontrôleurs peut signifier la perte d’un marché important : on sait bien que le délai de développement
est critique pour rester dans le peloton de tête.
Deux écueils inhérents aux DEL justifient à eux seuls l’emploi d’un microcontrôleur pour régler le problème. La température a
un impact important en dégradant le flux lumineux et en modifiant la longueur d’onde dominante. La figure 1 montre comment
les DEL réelles réagissent aux changements de température : c'est loin d'être négligeable, notamment pour le Rouge.
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Table 1
LUMINOSITE RELATIVE SELON LA TEMPERATURE DE JONCTION
15
30
45
60
75
90
105
120
135
Bleu
1.00
1.00
0.99
0.98
0.97
0.97
0.96
0.95
0.94
Vert
1.05
0.99
0.92
0.86
0.80
0.74
0.68
0.62
0.56
Rouge
1.07
0.98
0.88
0.77
0.66
0.56
0.46
0.37
0.29
Les solutions disponibles aujourd’hui pour pallier ce problème sont peu nombreuses. Les ingénieurs utilisent généralement
une thermistance ou un capteur de température, et à l’aide d’une table de correspondance à deux ou trois dimensions
déterminent le changement de fréquence à appliquer au signal de commande pour ajuster la luminosité. La thermistance doit
être placée le plus près possible des DEL pour fournir une température ponctuelle, et il faut utiliser une équation
d’approximation pour en déduire la température de jonction des DEL.
La deuxième difficulté provient de la variance d’une DEL à l’autre, même pour une référence donnée. Pour tenir compte de ce
fait les fabricants trient les DEL en fonction de leur flux lumineux, de leur longueur d’onde dominante, et de leur caractéristique
de tension. La différence de longueur d’onde dominante entre deux indices de tri (‘bin number’) est sensible à l’œil humain, il
faut donc à nouveau utiliser des tables de correspondance, puisque le client ne sait pas d’avance quel indice de tri
possèderont les DEL qui lui seront livrées. Pire, la définition des tris varie d’un fabricant à l’autre, multipliant le nombre de
tables de transcodage nécessaires. Certains clients se résolvent parfois à payer un surcoût important pour recevoir des DEL
du même tri et éviter le recours à ces palliatifs.
Il ne s’agit là que de deux problèmes concernant l’emploi des DEL Haute Luminosité. Avec eux et d’autres encore à surmonter
par les concepteurs, il est évident que le recours aux microcontrôleurs est non seulement nécessaire, mais vital pour le
contrôle précis des couleurs. Il est non moins évident que l’emploi d’un microcontrôleur peut être bien plus complexe que
prévu initialement, ce qui relève encore d’un cran le niveau de connaissance requis pour obtenir un design parfaitement
fonctionnel.
Une méthode novatrice pour surmonter ces difficultés est la solution configurable ‘EZ-Color’ de Cypress, qui utilise PSoC
Express.
Comment ça marche ? PSoC Express est un environnement de développement intégré évitant le recours à un langage de
programmation. Il s’interface au niveau système, non au niveau design. En d’autres termes il utilise des fonctions spécifiques,
plutôt que des boucles ‘for’. Ces fonctions sont des composants du monde réel tels que capteurs, thermistances, ou pilote
(‘driver’) de DEL.
Ce système de développement intégré est par ailleurs visuel. Cela paraît impressionnant, et ça l’est encore plus dans la
réalité. EZ-Color et PSOC Express peuvent modifier radicalement l’entrée d’une société sur le marché des DEL. Non
seulement ils dispensent d’apprendre la science des combinaisons de couleur (une rude entreprise à elle seule), mais ils
suppriment aussi le besoin de créer les tables de correspondance multidimensionnelles mentionnées ci-dessus. Qui plus est
EZ-Color peut accomplir ces tâches en quelques minutes.
Nous allons prendre un exemple simple : la commande de trois DEL (Rouge, Vert, Bleu) pour créer une couleur composée.
Nous utiliserons le diagramme de chromaticité CIE 1931, et créerons la couleur (0.1, 0.12), située quelque part dans le
pourpre.
Pour commencer le concepteur peut consulter le catalogue intégré et découvrir par exemple le pilote pour triple DEL K2 de
Lumileds. Le catalogue est organisé en quatre sections. Les sections ‘Inputs’ et ‘Outputs’ correspondent à des pilotes
fonctionnels (interfaçant les composants réels mentionnés ci-dessus), les deux autres seront discutées plus loin. Une ‘Input’
est typiquement un capteur, une ‘Output’ est par exemple le pilote ‘Luxeon K2 3-LED Color Mixing’. Ce nom spécifique traduit
le fait que le pilote est précisément adapté aux caractéristiques des DEL K2, que les indices de tri reconnus sont ceux des
DEL K2, que l’équation de réponse en température utilisée est celle des DEL K2. Cette prédétermination évite d’embarquer
un surplus de logiciel par rapport à un système classique.
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Figure 1
Après avoir fait glisser le pilote sur le schéma et lui avoir donné un nom, la fenêtre de propriétés s’ouvre, permettant au
concepteur de sélectionner l’indice de tri des DEL et le capteur de température qui déterminera l’équation de mixage. EZColor accepte une grande variété de capteurs de température et de thermistances, et choisir d’emblée le capteur évite
d’embarquer dans le logiciel de multiples tables de correspondance.
Figure 2
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Pour sélectionner la couleur de sortie, les pilotes EZ-Color utilisent ce qu’on nomme des ‘fonctions de transfert’. Celles-ci sont
des variables stockées en mémoire et permettant de contrôler les algorithmes sous-jacents. Le pilote ‘Color Mixing’
sélectionné nécessite quatre entrées : ‘Enable’, ‘Relative Flux’, ‘CIEx’ et ‘CIEy’. Pour plus d’informations sur ces entrées la
lecture de la datasheet du pilote est recommandée, ce n'est pas toujours la corvée que l'on croit...
Pour créer ces quatre entrées un autre composant de PSoC Express est nécessaire. C’est un ‘Valuator’, listé dans le même
catalogue que les ‘Inputs’ et ‘Outputs’. Pour en comprendre le principe le plus simple est de penser à des variables, mais en
mieux. PSoC Express offre soit des variables définies, comparables à des « # define » en jargon C, soit des variables
évolutives telles que des machines d’état ou des codeurs de priorité. Dans notre exemple simple, les quatre entrées utilisent
des ‘Valuators’ standard.
Figure 3
Arrivé à ce point, il est possible si on le souhaite d’ajouter des interfaces de communication telles qu’I2C, Wireless USB, ou
d’autres interfaces série comme le DMX512. La communication est une fonction séparée de la fonction de génération de
couleur, mais se synchronise via des zones spécifiques en mémoire pour modifier la valeur de la fonction de transfert, si la
source externe le demande.
Lorsqu’il assemblera le projet, PSoC Express proposera les microcontrôleurs EZ-Color de son catalogue, en limitant le choix
aux seuls composants disposant des ressources internes et de la taille mémoire suffisantes pour le projet ; pas besoin donc
de la demi-douzaine de réunions au démarrage du projet pour anticiper les souhaits du marketing et choisir à l'intuition le bon
composant ; cela ne marche jamais, on le sait tous.
Une fois le composant choisi, l’affectation des broches d’Entrée/Sortie est libre. Le bon fonctionnement n’impose pas que des
broches particulières soient utilisées d’une certaine manière. Tout est conçu pour être aussi intuitif que possible aux nouveaux
utilisateurs.
Le projet est maintenant prêt. C’est un projet simple ne générant qu’une couleur, sa réalisation a pu se faire en moins de 10
minutes. Schéma, datasheet spécifique, et firmware personnalisé sont prêts pour la revue.
Le schéma généré fait apparaître le convertisseur abaisseur de tension LM3402 de National. Ce choix n’est pas impératif, et
tout convertisseur possédant une entrée de contrôle de luminosité fait l’affaire. Rappelons que d’autres composants externes,
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tels que capteurs de couleur, capteurs de température, accéléromètres, tachymètres, boutons ou superviseurs d’alimentation
peuvent être ajoutés au projet, à choisir via l’onglet ‘Input’ du catalogue.
Après que le projet soit construit, PSoC Express propose une fonction de vérification pour s’assurer de l’absence d’erreurs.
Cette fonction inclut un outil appelé ‘Tuner’, qui crée le diagramme CIE correspondant aux DEL choisies. L’intensité et la
couleur peuvent alors être ajustées manuellement, et éventuellement testées en associant un capteur de couleur du type
Konica-Minolta CL200. Une autre option du Tuner consiste à laisser le programme fonctionner librement et voir le curseur se
positionner en fonction de la couleur générée.
Figure 4
Une dernière contrainte peut apparaître : réduire le coût en diminuant le nombre de microcontrôleurs nécessaires à la gestion
d’un grand nombre de pixels RVB. De nombreux contrôleurs du marché possèdent moins de cinq générateurs PWM ou
contrôleurs de luminosité équivalents. PSoC Express peut facilement gérer plusieurs pixels à partir du même composant EZColor. Une telle intégration permet de réduire à la fois les coûts et le délai de mise sur le marché.
Si cet exemple paraît trop simple et non suffisant pour le monde réel, EZ-Color et PSoC Express ne sont pas limités à ces
choix. Les autres ‘Valuators’ disponibles dans le catalogue permettent de créer des fonctions de mélanges sophistiquées. Par
exemple toute variable faisant partie de la fonction de transfert peut être modifiée par un codeur de priorité ou selon une
échelle d’intervalles. De même une machine d’état peut facilement être créée pour contrôler les variables x et y de la fonction
de transfert, et naviguer dynamiquement dans la palette couleur. D’autres exemples sont disponibles sur la page d’accueil de
PSoC Express sous forme de Designs Express.
Ce sont des réalisations complètes. Aucun code C n’est nécessaire. Le langage lui-même reproduit la technologie standard
de l’éclairage. Si tout ceci semble révolutionnaire c’est parce que ça l’est véritablement, car c’est bien une technologie
révolutionnaire qu’il faut pour un marché si agressif et dynamique. Au fur et à mesure que les DEL poursuivront leur cycle
d’adoption accéléré, des outils tels que celui-ci deviendront une nécessité pour tenir la cadence sur le marché.
L’apprentissage ne doit pas être fastidieux, et peut être en lui-même un processus fascinant. Pour télécharger PSoC Express,
ou pour plus d’informations sur ce nouveau système, notes d’applications, articles, présentations, Designs Express, rendezvous sur le site ezcolor.cypress.com.
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