LED全彩燈光控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　背景

　　LED作為一種新型光源，以其低供電電壓，低功耗，長(zhǎng)壽命，無輻射的特點(diǎn)，在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用，隨著近年來其亮度的不斷提高，特別是超高亮LED的出現(xiàn)，發(fā)光二極管得到了廣泛的應(yīng)用，從傳統(tǒng)的僅作室內(nèi)儀表信號(hào)指示，逐步發(fā)展到應(yīng)用于交通信號(hào)燈、汽車信號(hào)燈、背光源、室內(nèi)外大屏幕顯示，以及目前正向照明領(lǐng)域的深入。目前LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用主要還集中在燈飾照明中。LED本身的致光特性，使其具有易控制，頻閃快的特點(diǎn)，由此可以利用嵌入式微處理器，按PWM(占空比)方式獨(dú)立控制R(紅)，G(綠)，B(藍(lán))發(fā)光灰度，從而實(shí)現(xiàn)全彩效果的LED燈光控制技術(shù)。由于采用超高亮LED的裝飾照明燈具，其亮度已達(dá)到要求，且它在壽命，功耗，控制花樣等方面和霓虹燈相比具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，目前已開始逐步推廣，預(yù)計(jì)今后幾年將會(huì)有比較大的發(fā)展。

　　控制單元

　　控制單元是指可獨(dú)立變化出全彩色的燈具單元，也可稱作像素。它至少應(yīng)包含一只紅色LED、一只綠色LED、一只藍(lán)色LED，各顏色LED的數(shù)目根據(jù)配色要求按一定比例構(gòu)成?？蓪⑦@些控制單元制作成單個(gè)燈具，亦可按一定形狀或圖案排列起來，形成線狀或面狀光源。需要注意的是，由三種顏色的LED構(gòu)成的一個(gè)單元，通常必須進(jìn)行混光處理，否則不能看到理想的全彩效果。在同一個(gè)發(fā)光單元中LED應(yīng)緊密排列，這樣可使得各LED的光斑在觀賞者眼中成像重疊;相鄰發(fā)光單元中心距應(yīng)相同，并且該中心距滿足：D≥2*L*tan(θ/2)，式中D為相鄰發(fā)光單元的最小中心距，L為正常使用時(shí)觀看點(diǎn)與光源部位的垂直距離，θ為人眼最小分辨角。這樣通過控制電路可使燈具顯示出豐富的色彩。通過控制系統(tǒng)獨(dú)立控制每個(gè)發(fā)光單元中的三種發(fā)光二極管的灰度級(jí)別，亦即控制每個(gè)發(fā)光單元中的紅、綠、藍(lán)三種顏色各自的亮度，就可使每個(gè)發(fā)光單元調(diào)配出多種不同的顏色，若在同一時(shí)間內(nèi)控制不同的發(fā)光單元顯示出不同的顏色，就可使燈具的整個(gè)發(fā)光部位呈現(xiàn)出色彩斑斕的效果。目前出現(xiàn)的功能比較強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，可通過軟件設(shè)置每個(gè)控制單元的顏色值，根據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)，設(shè)置各個(gè)顏色的灰度級(jí)別，一般為256級(jí)(8位)，目前具有代表性的有臺(tái)灣點(diǎn)晶科技的一款DM413全彩LED阿驅(qū)動(dòng)芯片，帶有灰度發(fā)生器，默認(rèn)為256級(jí)灰度，最高可設(shè)置為8192 級(jí)灰度，實(shí)現(xiàn)的效果極為細(xì)膩。單個(gè)DM413芯片只控制一個(gè)顯示單元，使得每個(gè)控制單元的電路相同，而且非常簡(jiǎn)單，一次開發(fā)，重復(fù)使用。

　　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：控制器部分和LED驅(qū)動(dòng)部分(見圖1)?？刂破鞑糠质窍到y(tǒng)的核心部分，它最基本的功能是將每個(gè)控制單元的顏色數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)控制單元，使所有單元相互配合，產(chǎn)生用戶預(yù)想的效果;LED驅(qū)動(dòng)部分的功能是接收顏色數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)LED按該數(shù)據(jù)所表示的亮度值顯示。每個(gè)基于DM413的LED驅(qū)動(dòng)模塊，單獨(dú)控制一個(gè)LED燈具單元，每個(gè)模塊結(jié)構(gòu)相同，與控制器的連接方式也相同。系統(tǒng)采用串行級(jí)聯(lián)的方式連接，每個(gè)模塊具有輸入和輸出接口，前一模塊的輸出接口通過數(shù)據(jù)線與后一模塊的輸入接口連接，直到最后一個(gè)模塊為止。LED驅(qū)動(dòng)模塊(見圖2)是以DM413為核心的電路，DM413具有若干信號(hào)輸入輸出引腳及多個(gè)功能設(shè)定引腳。信號(hào)通過輸入接口給DM413 相應(yīng)的輸入引腳。3個(gè)輸出引腳用于連接LED，可分配給R，G，B三個(gè)顏色，同一個(gè)輸出引腳接相同顏色的LED，根據(jù)配色需要，每個(gè)輸出引腳可接一個(gè)或多個(gè)LED。輸入的串行信號(hào)通過輸出引腳發(fā)送出來，通過輸出接口傳到下一級(jí)芯片。

　　控制原理

　　LED控制器內(nèi)置高性能單片微型控制芯片，控制器通過內(nèi)部控制程序向LED驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送控制信號(hào)和數(shù)據(jù)，LED驅(qū)動(dòng)芯片根據(jù)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的要求，產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，從而對(duì)每一路紅、綠、藍(lán)LED實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的控制。若微控制器連續(xù)地向一串LED 驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送控制信號(hào)和數(shù)據(jù)，則可使各LED受到連續(xù)的協(xié)調(diào)控制?？蓪㈩A(yù)想的變化效果轉(zhuǎn)化成LED控制器可處理的數(shù)據(jù)格式及適當(dāng)?shù)目刂浦噶睿龠B續(xù)地發(fā)送給各個(gè)LED驅(qū)動(dòng)芯片，則可使整體燈飾表現(xiàn)出想要的效果。此處，和控制器緊密配合，操作簡(jiǎn)便，功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)成為必要。以下先分析控制系統(tǒng)的原理。

　　控制器輸出接口具有三條信號(hào)線：一條串行數(shù)據(jù)輸出線，一條時(shí)鐘信號(hào)輸出線及一條鎖存信號(hào)線。這三條線分別接到驅(qū)動(dòng)芯片相應(yīng)的3個(gè)引腳上。和一般的串行移位機(jī)制相同，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，串行數(shù)據(jù)在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部移位寄存，由于串行數(shù)據(jù)表示的是每種顏色的灰度級(jí)別，而不是簡(jiǎn)單的開關(guān)信號(hào)，所以芯片內(nèi)部的移位速率比7彩應(yīng)用的芯片(如74HC595)要高很多。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送接收完畢，控制器向驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送鎖存信號(hào)，使LED驅(qū)動(dòng)芯片鎖存已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)， DM413在鎖存的同時(shí)會(huì)根據(jù)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。有些芯片另有一個(gè)輸出使能引腳，用于單獨(dú)控制輸出信號(hào)。LED發(fā)光灰度是由驅(qū)動(dòng)芯片所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)決定的，全彩驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置灰度產(chǎn)生器，采用PWM方式。該方式控制LED以人眼分辨不出的高頻率快速亮滅，根據(jù)芯片所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)設(shè)定亮和滅所占的比例，即實(shí)現(xiàn)灰度級(jí)別的控制。DM413可選擇三種灰度級(jí)別，8位(256)，10位(1024)和13位(8192)，即可使每種顏色產(chǎn)生256級(jí)(以256 級(jí)灰度為例)灰度等級(jí)，單獨(dú)控制三種顏色的灰度，則可組合出256*256*256種(16777216種)顏色。將若干燈具單元排列起來，即可按這種方式顯示出細(xì)膩生動(dòng)的圖案，動(dòng)畫效果。

　　軟件系統(tǒng)

　　軟件系統(tǒng)是控制系統(tǒng)和燈光效果設(shè)計(jì)師的交互窗口，它具有十分重要的作用。軟件系統(tǒng)的作用是讓光效設(shè)計(jì)師通過簡(jiǎn)便的，人性化的操作編輯出預(yù)想的效果，并轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)可接受的數(shù)據(jù)格式和控制指令。這些效果包含常規(guī)的顏色跳變，漸變，彩虹滾動(dòng)等，也可能包含文字，圖片的顯示，視頻，動(dòng)畫的播放等。軟件系統(tǒng)根據(jù)特定的效果，計(jì)算每個(gè)控制單元的顏色數(shù)據(jù)，最終生成用于控制器的光效文件。根據(jù)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)或脫機(jī)特性，軟件的使用略有不同?？刂葡到y(tǒng)具有一套完善的配套軟件，可極大的簡(jiǎn)化光效的編輯，甚至完成一些人工無法完成的效果。

　　結(jié)束語

　　LED是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短，光色純，結(jié)構(gòu)牢固，抗沖擊，耐振動(dòng)，性能穩(wěn)定可靠，重量輕，體積小，成本低等一系列特性，發(fā)展突飛猛進(jìn)，現(xiàn)已能批量生產(chǎn)各種顏色的高亮度、高性能產(chǎn)品，隨著發(fā)光二極管發(fā)光效率的提高，再結(jié)合相應(yīng)控制技術(shù)的進(jìn)步，相信在不久的將來，LED光源會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的照明光源，而掀起一次照明領(lǐng)域新的革命。