從“芯” 設計LED燈具控制系統
隨著(zhù)LED的功率和亮度不斷增加，價(jià)格持續下降，LED 在燈光照明領(lǐng)域的應用越來(lái)越普遍普及。但是就目前的亮度和價(jià)格而言，LED要替代白枳燈還有很長(cháng)的路要走，現在LED在照明領(lǐng)域的優(yōu)勢在于它們色彩可變、純正和高可靠性。因此，娛樂(lè )場(chǎng)所、商業(yè)展示，城市景觀(guān)照明將是LED在照明領(lǐng)域的主要應用。 1．LED常用的控制方法 LED 照明燈具的控制技術(shù)是提升LED 燈具應用水平的關(guān)鍵所在，目前，LED燈具的控制方式主要有下列幾種方法：獨立控制方法——在每個(gè)LED燈具中使用一個(gè)低價(jià)格單片機或者專(zhuān)用控制芯片。產(chǎn)生一系列顏色變換，如七彩、漸變等等，有的控制芯片上還帶有音頻同步口。能使LED與附近的音樂(lè )同步閃爍，燈與燈之間沒(méi)有控制線(xiàn)，靠上電，或者AC過(guò)零點(diǎn)同步。這種產(chǎn)品的特點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單，燈頭、燈座等與傳統燈具兼容，能大批量生產(chǎn)和出口。但是，它們的缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現追逐，逐斷變化燈復雜的燈光變化，更不能根據應用的需要設計出整體的燈光方案。因此只能應用于局部簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。 聯(lián)線(xiàn)控制方法——LED燈具與控制器相連，控制器通過(guò)DMX512 聯(lián)成網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現對LED燈具的控制。另一種聯(lián)線(xiàn)控制方法是在每一個(gè)燈管中含有一個(gè)低價(jià)格單片機，它們通過(guò)RS485連線(xiàn)控制，也有使用移位寄存器（SPI總線(xiàn)）來(lái)傳送LED控制信號。 2．我們在LED燈具控制器方面作的探索 我們在設計LED燈具控制器時(shí)，主要開(kāi)發(fā)聯(lián)線(xiàn)控制的技術(shù)，先后開(kāi)發(fā)了DALI接口，DMX512， 移位寄存器等各種方案的產(chǎn)品。本文分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了一種我們認為最好的方案，并開(kāi)發(fā)了相應的燈光控制芯片。這項工作我們共化了兩年的時(shí)間。 DMX512 控制器方案 DMX512 是傳統的舞臺燈光控制協(xié)議，由美國劇場(chǎng)技術(shù)協(xié)會(huì )（United State Institute for Theatre Technology，Inc）于1986年8月提出的一個(gè)能在一對線(xiàn)上傳送512路可控硅調光亮度信息的標準。 DMX512通信方式是采用了異步通信格式，每個(gè)調光點(diǎn)由11位組成，其中一個(gè)是起始位，8位調光數據，兩個(gè)停止位。每一次傳輸能512個(gè)調光點(diǎn)。 DMX512現在是最流行的控制方法，一般是將電源和控制器設計在一起。由DMX512控制器控制8～24線(xiàn)。直接驅動(dòng)LED燈具的RBG線(xiàn)，但是在建筑光亮工程中，由于直流的線(xiàn)路衰弱大，要求在12米左右就要安裝一個(gè)控制器，控制總線(xiàn)為并行方式，因此，控制器的走線(xiàn)非常的多。很多場(chǎng)合甚至無(wú)法施工。 DMX512的接收器要設置地址，讓它能接收那幾個(gè)調光數據，這在實(shí)際應用中不方便。 多個(gè)控制器互聯(lián)來(lái)控制復雜的照明方案，軟件比較復雜。DMX512比較適合燈具集中在一起的場(chǎng)合，如舞臺燈光。 DALI總線(xiàn)方案 DALI是歐洲提出來(lái)的一種燈光控制總線(xiàn)方案，在DALI系統中，每個(gè)燈具有一個(gè)地址，并有一組控制命令?？蓪ぶ贩秶?44個(gè)燈，并能實(shí)現群控的能力，在將DALI應用到LED燈具控制過(guò)程中，我們擴展了LED控制命令： LAMP ADDR，START，END，HOLD，FADE LAMP 是LED燈光控制命令。 Addr 是被控LED燈具的地址。 START 是LED燈具開(kāi)始的顏色。
EDD 是LED燈具結束的顏色。 HOLD 是保持的時(shí)間。 FADE 是漸變的時(shí)間。 每個(gè)LED燈具中使用一顆Microship PIC 16f628 CPU完成了DALI數據的接收和DALI命令的控制。 在該控制系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們發(fā)現，沒(méi)有一種方法能讓燈光工程商方便地來(lái)設計燈光變化的方案，而市場(chǎng)上流行的做法是在工程公司接到一個(gè)光亮工程后，提出燈光變化的要求，讓控制器的設計人員編寫(xiě)相應的單片機軟件，盡管很簡(jiǎn)單，又是重復勞動(dòng)，但是必竟要化時(shí)間，協(xié)調起來(lái)也很困難。燈光工程商在找控制器上要花很多的精力。這樣做的結果是不便于產(chǎn)業(yè)化分工，往往是燈具制造廠(chǎng)要直接介入燈光工程，成本很高。 為此我們設計了L40燈光控制語(yǔ)言和模擬軟件。L40語(yǔ)言類(lèi)似于計算機匯編語(yǔ)言，由控制器解釋執行。 另一方面，對于在每個(gè)燈具中燒一個(gè)地址，工程安裝時(shí)非常不便，為此，我們改用了RS485接口，采用了級聯(lián)的方法，通過(guò)軟件協(xié)議來(lái)自動(dòng)識別地址解決了這個(gè)問(wèn)題。 在這種控制器的使用過(guò)程中，我們發(fā)現，仍然存在兩個(gè)問(wèn)題，一是通信的速度不夠快，盡管我們以采用了19.2K的通信速率，在燈多的時(shí)候，仍然不夠理想；另一方面，要外地的工程商來(lái)學(xué)習L40語(yǔ)言，需要培訓和人力，往往工程商找不到這樣的人員． SPI 移位總線(xiàn)方案 在開(kāi)發(fā)DALI控制器的同時(shí)，我們也開(kāi)發(fā)基于SPI移位寄存器的方法來(lái)控制LED燈具，基于SPI移位寄存器的LED驅動(dòng)器芯片一般是為L(cháng)ED顯示屏開(kāi)發(fā)的，有單色的，也有可控制灰色的。東芝、TI、臺灣和大陸很多公司開(kāi)發(fā)了這一類(lèi)芯片。我們認為，采用這一類(lèi)芯片的控制器有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 它們是基于像素的控制方法，我們能夠將PC屏幕上的圖像直接轉換成LED的像素的色彩。這樣一來(lái)，用戶(hù)能夠用PC上的軟件直接設計燈光方案，典型的方法是采用FALSH軟件，或者用MEDIAPLAY的可視化效果產(chǎn)生圖案，使LED燈光的變換大大增強了。 采用了級聯(lián)的方法，變化速率很快。 但是這種方法的問(wèn)題于，數據量比較大，燈與燈之間的線(xiàn)比較多（五根線(xiàn)）。軟件難度大，對控制器的CPU能力要求高。市面上產(chǎn)品一般是在PC上加一個(gè)插卡，再用五類(lèi)線(xiàn)或光纜連接到前端控制板，由前端控制板上的LED驅動(dòng)芯片來(lái)驅動(dòng)多個(gè)LED燈具。 由于目前市面上的LED驅動(dòng)芯片主要是為L(cháng)ED 顯示屏設計的。在LED 顯示屏上，LED 的密度很大，所以，為顯示屏設計的LED驅動(dòng)芯片是多路的，如8路、16路或者32路，成本高，PCB面積大，但是LED燈具中的像素比較少，大多數情況下為單像素。它們的控制PCB要求比較小，成本低。 采用LED顯示屏驅動(dòng)芯片來(lái)構成集中式的LED像素燈，要從LED控制器引出NX4根（R，G，B，GND），一個(gè)8X8的板要引出256根線(xiàn)，做出來(lái)的產(chǎn)品，背面全是線(xiàn)，非常的不可靠。 LED 顯示屏的LED驅動(dòng)電路一般使用了A/D轉換的方法來(lái)控制LED的恒流源驅動(dòng)，因此，它們的驅動(dòng)電流不大，一般為2~50mA 電流。如TOSHIBA TB62727芯片。對于LED燈具來(lái)講，有時(shí)就不夠了。 現在有幾家公司推出了單點(diǎn)RGB驅動(dòng)芯片，但是比較貴。 另一方面，SPI使用三根線(xiàn)來(lái)控制數據的快速移位。對于LED燈具來(lái)講，一個(gè)燈具上使用一進(jìn)一出共要6根控制線(xiàn)，明顯太多了，大大增加了防水接頭，控制電纜的成本。
3．問(wèn)題驅動(dòng)我們從”芯”設計LED燈具控制芯片 在完成了各種LED燈具控制器和燈具產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)之后，我們對LED燈具及控制技術(shù)有了全新的認識。 我們體會(huì )到，一個(gè)理想的LED燈具控制器芯片因具有如下特點(diǎn)： 1. 使用簡(jiǎn)單，靈活。不要編程，普通人會(huì )用。 2. 接線(xiàn)簡(jiǎn)單，越少越好。 3. 能適應LED快速發(fā)展的需要。 4. 成本低廉。 這樣的燈具能達到： 制造與光亮工程分離，完成專(zhuān)業(yè)化分工。 產(chǎn)品便于出口。 推進(jìn)產(chǎn)品標準化。 為了達到這一理想的境界，我們決定從自行開(kāi)發(fā)LED燈具芯片開(kāi)始進(jìn)入全新的開(kāi)發(fā)工作。 總體方案 芯片采用了DMX512傳輸的幀結構，將DMX512的異步方式改為了同步方式，因此，我們稱(chēng)為同步DMX512（SynchronizesDMX512 CHIP）芯片。 與傳統的DMX512接收器相比，同步DMX512具有如下優(yōu)點(diǎn)： 能采用移位方式傳輸調光數據，不需要設置地址。 傳輸的速度快。因為沒(méi)有停止位和起始位。 保留了DMX512單線(xiàn)級聯(lián)方式，硬件接口可以仍然使用RS485。 與傳統的SPI接口相比，引出/引入線(xiàn)少。 SynchronizesDMX512 CHIP 產(chǎn)品系列 SDMX5124---同步DMX512芯片，含三路4位PWM調光電路 SDMX5128---同步DMX512芯片，含三路8位PWM調光電路 SDMX51248--- SDMX51288--- 特點(diǎn)： 1、同步DMX512總線(xiàn)，使用一根線(xiàn)實(shí)現控制數據的移位和置入，速率達192KBPS。 這樣，燈與燈之間的聯(lián)線(xiàn)只要三根線(xiàn)了（+24V，DATA，GND）。能采用普通的防水結頭。 2、RGB 三路輸出，外接MOSFET/三極管驅動(dòng)大功率LED光源。 普通LED驅動(dòng)器使用ADC來(lái)控制LED恒流源，使LED的驅動(dòng)電流受到了限制，CP100使用了PWM調光，外接驅動(dòng)管的方案，能適應各種LED，提高了產(chǎn)品的適應性。 3、 4位X3 PWM 調光電路， 產(chǎn)生4096種彩色，PWM 頻率為768K，無(wú)閃爍。 LED顯示屏的驅動(dòng)電路的每路控制位數比較多（8位或更多），再加上光調整數據使得刷屏數據很多，要求移位數據比較多，但在燈具中，要求色彩的等級和色差不高，4位已足夠了，數據量少，降低了通信的速率，成本低，可靠性高。 4、16 pin SOP封裝，5umCMOS 工藝。 CP100 采用的數字CMOS工藝，成本低。 控制器采用了10 BASE T 以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng) LAN網(wǎng)絡(luò )已非常普及，大量標準化、低價(jià)格的網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品可供選擇。 市面上許多的LED控制器供應商，都宣稱(chēng)能提供許多的圖案變化方案，或為客戶(hù)定制。實(shí)際上，最好的方法是將圖案變化方案的設計交給客戶(hù)，或者專(zhuān)業(yè)人士，因為這項工作有太多的資源可以利用。我們是基于這種設計理念來(lái)開(kāi)發(fā)ColorPixel系統的。 客戶(hù)能使用FLSAH，After effects 等出色的工具來(lái)設計圖案變化方案，colorpixel 提供了轉換工具，將它們轉換成COLORPIXEL 控制數據。
ColorPixel 能夠實(shí)時(shí)抓取WINDOWS 屏幕上播放的圖像將它轉換成COLORPIXEL 控制數據，存儲到SD卡上。 結論 我們在開(kāi)發(fā)了各種LED燈具和控制器的基礎上，感到目前市面上還沒(méi)有比較適合的LED燈具控制芯片，本項目對傳統DMX512控制協(xié)議作了改進(jìn)，提出了同步DMX512的技術(shù)方案，并開(kāi)發(fā)了開(kāi)發(fā)了同步DMX512總線(xiàn)接收器芯片，采用0.5umCMOS工藝，SOP16封裝，在實(shí)際應用中收到了比較好的效果，具有很大的推廣價(jià)值。
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