《電子技術(shù)應(yīng)用》
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從”芯”設(shè)計LED燈具控制系統(tǒng)——同步DMX512控制芯片的開發(fā)
摘要: 介紹了各種LED燈具控制方法,并分析了這些控制方式的優(yōu)缺點,在此基礎(chǔ)上,我們開發(fā)了一種單線控制的LED燈具控制芯片及其相應(yīng)的軟件,本文介紹了該芯片及系統(tǒng)開發(fā)的過程。
關(guān)鍵詞: LED燈具 控制系統(tǒng) DMX512
Abstract:
Key words :

  隨著LED的功率和亮度不斷增加,價格持續(xù)下降,LED在燈光照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍普及。但是就目前的亮度和價格而言,LED要替代白枳燈還有很長的路要走,現(xiàn)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,娛樂場所,商業(yè)展示,城市景觀照明將是LED在照明領(lǐng)域的主要應(yīng)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(yīng)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LED燈具中使用一個低價格單片機或者專用控制芯片。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與附近的音樂同步閃爍,燈與燈之間沒有控制線,靠上電,或者AC過零點同步。這種產(chǎn)品的特點是比較簡單,燈頭,燈座等與傳統(tǒng)燈具兼容,能大批量生產(chǎn)和出口。但是,它們的缺點是無法實現(xiàn)追逐,逐斷變化燈復(fù)雜的燈光變化,更不能根據(jù)應(yīng)用的需要設(shè)計出整體的燈光方案。因此只能應(yīng)用于局部簡單的場合。

  聯(lián)線控制方法----LED燈具與控制器相連,控制器通過DMX512聯(lián)成網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)對LED燈具的控制。另一種聯(lián)線控制方法是在每一個燈管中含有一個低價格單片機,它們通過RS485連線控制,也有使用移位寄存器(SPI總線)來傳送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(shè)計LED燈具控制器時,主要開發(fā)聯(lián)線控制的技術(shù),先后開發(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,并提出了一種我們認為最好的方案,并開發(fā)了相應(yīng)的燈光控制芯片。這項工作我們共化了兩年的時間。

  DMX512控制器方案

  DMX512是傳統(tǒng)的舞臺燈光控制協(xié)議,由美國劇場技術(shù)協(xié)會(United State Institutefor Theatre Technology,Inc)于1986年8月提出的一個能在一對線上傳送512路可控硅調(diào)光亮度信息的標準。

  DMX512通信方式是采用了異步通信格式,每個調(diào)光點由11位組成,其中一個是起始位,8位調(diào)光數(shù)據(jù),兩個停止位。每一次傳輸能512個調(diào)光點。

  DMX512現(xiàn)在是最流行的控制方法,一般是將電源和控制器設(shè)計在一起。由DMX512控制器控制8~24線。直接驅(qū)動LED燈具的RBG線,但是在建筑光亮工程中,由于直流的線路衰弱大,要求在12米左右就要安裝一個控制器,控制總線為并行方式,因此,控制器的走線非常的多。很多場合甚至無法施工。

  DMX512的接收器要設(shè)置地址,讓它能接收那幾個調(diào)光數(shù)據(jù),這在實際應(yīng)用中不方便。

  多個控制器互聯(lián)來控制復(fù)雜的照明方案,軟件比較復(fù)雜。DMX512比較適合燈具集中在一起的場合,如舞臺燈光。

  DALI總線方案

  DALI是歐洲提出來的一種燈光控制總線方案,在DALI系統(tǒng)中,每個燈具有一個地址,并有一組控制命令??蓪ぶ贩秶?44個燈,并能實現(xiàn)群控的能力,在將DALI應(yīng)用到LED燈具控制過程中,我們擴展了LED控制命令:

  LAMPADDR,START,END,HOLD,F(xiàn)ADE

  其中,LAMP是LED燈光控制命令

  Addr是被控LED燈具的地址。

  START是LED燈具開始的顏色。

  EDD是LED燈具結(jié)束的顏色。

  HOLD是保持的時間。

  FADE是漸變的時間。

  每個LED燈具中使用一顆Micro ship PIC16f628CPU完成了DALI數(shù)據(jù)的接收和DALI命令的控制。

  在該控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中,我們發(fā)現(xiàn),沒有一種方法能讓燈光工程商方便地來設(shè)計燈光變化的方案,而市場上流行的做法是在工程公司接到一個光亮工程后,提出燈光變化的要求,讓控制器的設(shè)計人員編寫相應(yīng)的單片機軟件,盡管很簡單,又是重復(fù)勞動,但是必竟要化時間,協(xié)調(diào)起來也很困難。燈光工程商在找控制器上要化很多的精力。這樣做的結(jié)果是不便于產(chǎn)業(yè)化分工,往往是燈具制造廠要直接介入燈光工程。成本很高。

  為此我們設(shè)計了L40燈光控制語言和模擬軟件。L40語言類似于計算機匯編語言,由控制器解釋執(zhí)行。

  另一方面,對于在每個燈具中燒一個地址,工程安裝時非常不便,為此,我們改用了RS485接口,采用了級聯(lián)的方法,通過軟件協(xié)議來自動識別地址解決了這個問題。

在這種控制器的使用過程中,我們發(fā)現(xiàn),仍然存在兩個問題,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,在燈多的時候,仍然不夠理想,另一方面,要外地的工程商來學習L40語言,需要培訓和人力,往往工程商找不到這樣的人員。

  SPI移位總線方案

  在開發(fā)DALI控制器的同時,我們也開發(fā)基于SPI移位寄存器的方法來控制LED燈具,基于SPI移位寄存器的LED驅(qū)動器芯片一般是為LED顯示屏開發(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發(fā)了這一類芯片。我們認為,采用這一類芯片的控制器有如下幾個優(yōu)點:

  它們是基于像素的控制方法,我們能夠?qū)C屏幕上的圖像直接轉(zhuǎn)換成LED的像素的色彩。這樣一來,用戶能夠用PC上的軟件直接設(shè)計燈光方案,典型的方法是采用flash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。

  但是這種方法的問題于,數(shù)據(jù)量比較大,燈與燈之間的線比較多(五根線)。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上加一個插卡,再用五類線,或光纜連接到前端控制板,由前端控制板上的LED驅(qū)動芯片來驅(qū)動多個LED燈具。

  由于目前市面上的LED驅(qū)動芯片主要是為LED顯示屏設(shè)計的。在LED顯示屏上,LED的密度很大,所以,為顯示屏設(shè)計的LED驅(qū)動芯片是多路的,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(shù)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(qū)動芯片來構(gòu)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8X8的板要引出256根線,做出來的產(chǎn)品,背面全是線,非常的不可靠。

  LED顯示屏的LED驅(qū)動電路一般使用了A/D轉(zhuǎn)換的方法來控制LED的恒流源驅(qū)動,因此,它們的驅(qū)動電流不大,一般為2~50mA電流。如TOSHIBATB62727芯片。對于LED燈具來講,有時就不夠了。

  現(xiàn)在有幾家公司推出了單點RGB驅(qū)動芯片,但是比較貴。

  另一方面,SPI使用三根線來控制數(shù)據(jù)的快速移位。對于LED燈具來講,一個燈具上使用一進一出共要6根控制線,明顯太多了,大大增加了防水接頭,控制電纜的成本。
。

  3、問題驅(qū)動我們從”芯”設(shè)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。

  我們體會到,一個理想的LED燈具控制器芯片因具有如下特點:

  1.使用簡單,靈活。不要編程,普通人會用。

  2.接線簡單,越少越好。

  3.能適應(yīng)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;完成專業(yè)化分工;產(chǎn)品便于出口;推進產(chǎn)品標準化。

  為了達到這一理想的境界,我們決定從自行開發(fā)LED燈具芯片開始進入全新的開發(fā)工作。

  總體方案

  芯片采用了DMX512傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)。將DMX512的異步方式改為了同步方式,因此,我們稱為同步DMX512(Synchronizes DMX512CHIP)芯片。

  與傳統(tǒng)的DMX512接收器相比,同步DMX512具有如下優(yōu)點:

  能采用移位方式傳輸調(diào)光數(shù)據(jù),不需要設(shè)置地址。

  傳輸?shù)乃俣瓤?。因為沒有停止位和起始位。

  保留了DMX512單線級聯(lián)方式,硬件接口可以仍然使用RS485。

  與傳統(tǒng)的SPI接口相比,引出/引入線少。

  SynchronizesDMX512CHIP

  產(chǎn)品系列

  SDMX5124---同步DMX512芯片,含三路4位PWM調(diào)光電路

  SDMX5128---同步DMX512芯片,含三路8位PWM調(diào)光電路

  SDMX51248---同步DMX512芯片,含八路4位PWM調(diào)光電路

  SDMX51288---同步DMX512芯片,含八路4位PWM調(diào)光電路

  特點:

  ·同步DMX512總線,使用一根線實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的移位和置入,速率達192 KBPS。這樣,燈與燈之間的聯(lián)線只要三根線了(+24V,DATA,GND)。能采用普通的防水結(jié)頭。

  ·RGB三路輸出。外接MOSFET/三極管驅(qū)動大功率LED光源。普通LED驅(qū)動器使用ADC來控制LED恒流源,使LED的驅(qū)動電流受到了限制,CP100使用了PWM調(diào)光,外接驅(qū)動管的方案,能適應(yīng)各種LED,提高了產(chǎn)品的適應(yīng)性。

  ·4位X3PWM調(diào)光電路。產(chǎn)生4096種彩色。PWM頻率為768K。無閃爍。LED顯示屏的驅(qū)動電路的每路控制位數(shù)比較多(8位或更多),再加上光調(diào)整數(shù)據(jù)使得刷屏數(shù)據(jù)很多,要求移位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量少,降低了通信的速率,成本低,可靠性高。

  16pinSOP封裝,5umCMOS工藝。

  DMX5124采用的數(shù)字CMOS工藝,成本低。

  控制器采用了10BASET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(yīng)商,都宣稱能提供許多的圖案變化方案,或為客戶定制。實際上,最好的方法是將圖案變化方案的設(shè)計交給客戶,或者專業(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(shè)計理念來開發(fā)ColorPixel系統(tǒng)的。

  客戶能使用FLSAH,Aftereffects等出色的工具來設(shè)計圖案變化方案,colorpixel提供了轉(zhuǎn)換工具,將它們轉(zhuǎn)換成COLORPIXEL控制數(shù)據(jù)。ColorPixel能夠?qū)崟r抓取WINDOWS屏幕上播放的圖像將它轉(zhuǎn)換成COLORPIXEL控制數(shù)據(jù),存儲到SD卡上。

  結(jié)論

  我們在開發(fā)了各種LED燈具和控制器的基礎(chǔ)上,感到目前市面上還沒有比較適合的LED燈具控制片,本項目對傳統(tǒng)DMX512控制協(xié)議作了改進,提出了同步DMX512的技術(shù)方案,并開發(fā)了開發(fā)了同步DMX512總線接收器芯片,采用0.5um CMOS工藝,SOP16封裝,在實際應(yīng)用中收到了比較好的效果,具有很大的推廣價值。

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