近年來，隨著全球節(jié)能減碳帶動，發(fā)光二極管(LED)作為建筑物外觀照明、裝飾照明、情境照明等商業(yè)應(yīng)用已愈加明顯。由于此類照明往往會依據(jù)建筑物外觀與不同商業(yè)訴求而設(shè)計，多采用由紅(R)、綠(G)、藍(B)三色LED所構(gòu)成的像素叢集(Cluster)作為照明單位，以制造多樣性的光影變化效果，并對不同照明體形狀進行串接，構(gòu)成LED窗簾幕、條狀屏幕等。這些照明結(jié)構(gòu)具備不妨礙視線、結(jié)構(gòu)輕、易于組裝與運送等優(yōu)點，因此日益普及應(yīng)用于租賃市場、舞臺、建筑物領(lǐng)域。

　　然而，目前以RGB" title="RGB">RGB Cluster作為裝飾照明正面臨著如何兼顧效益性與美觀設(shè)計的兩難。因為當(dāng)照明的建筑體外觀范圍擴大，以及照明體設(shè)計復(fù)雜度提高時，為達較佳的照明效果，就必須搭配較多數(shù)量的RGB Cluster與LED驅(qū)動器等的組件串接，此不但會影響信號傳輸速度，且當(dāng)多顆RGB Cluster串接時，如何正確的傳送數(shù)據(jù)，乃是RGB LED應(yīng)用于建筑物照明所須考慮的問題。 
 
　　傳輸技術(shù)瓶頸待突破

　　目前，采用RGB Cluster串接的傳輸架構(gòu)多采用三線或四線傳輸，即除了頻率(Clock)及數(shù)據(jù)兩個信號線之外，尚須控制栓鎖(Latch)及(或)灰階頻率(GCLK)信號線(圖1)來連接到每個驅(qū)動器，但三線或四線傳輸架構(gòu)會增加防水線材與接口消耗，且更多的接口數(shù)將導(dǎo)致傳輸可靠性與穩(wěn)定性下降，不但無法滿足長距離傳輸需求，反而限制RGB Cluster像素的廣泛應(yīng)用。至于單線傳輸，除了傳輸線材成本較少，但相對的缺點為需要較復(fù)雜的電路與電路成本達到所要求的傳輸穩(wěn)定性，且傳輸頻率受限在一定的范圍之內(nèi)，串接顆數(shù)與傳輸距離也有限制。因此，就商業(yè)照明應(yīng)用而言，傳輸信號的選擇即是一連串傳輸效能、傳輸距離、成本、線材、空間、信賴性等不同要求的權(quán)衡與取舍(表1)。如何在成本控制得宜下采用較少線材，同時兼顧傳輸效能與質(zhì)量，即是目前RGB LED作為建筑物照明必須突破的方向。 

圖1　傳統(tǒng)四線傳輸示意圖

　　近年來，隨著全球節(jié)能減碳帶動，發(fā)光二極管(LED)作為建筑物外觀照明、裝飾照明、情境照明等商業(yè)應(yīng)用已愈加明顯。由于此類照明往往會依據(jù)建筑物外觀與不同商業(yè)訴求而設(shè)計，多采用由紅(R)、綠(G)、藍(B)三色LED所構(gòu)成的像素叢集(Cluster)作為照明單位，以制造多樣性的光影變化效果，并對不同照明體形狀進行串接，構(gòu)成LED窗簾幕、條狀屏幕等。這些照明結(jié)構(gòu)具備不妨礙視線、結(jié)構(gòu)輕、易于組裝與運送等優(yōu)點，因此日益普及應(yīng)用于租賃市場、舞臺、建筑物領(lǐng)域。

　　然而，目前以RGB Cluster作為裝飾照明正面臨著如何兼顧效益性與美觀設(shè)計的兩難。因為當(dāng)照明的建筑體外觀范圍擴大，以及照明體設(shè)計復(fù)雜度提高時，為達較佳的照明效果，就必須搭配較多數(shù)量的RGB Cluster與LED驅(qū)動器等的組件串接，此不但會影響信號傳輸速度，且當(dāng)多顆RGB Cluster串接時，如何正確的傳送數(shù)據(jù)，乃是RGB LED應(yīng)用于建筑物照明所須考慮的問題。 
 
　　傳輸技術(shù)瓶頸待突破

　　目前，采用RGB Cluster串接的傳輸架構(gòu)多采用三線或四線傳輸，即除了頻率(Clock)及數(shù)據(jù)兩個信號線之外，尚須控制栓鎖(Latch)及(或)灰階頻率(GCLK)信號線(圖1)來連接到每個驅(qū)動器，但三線或四線傳輸架構(gòu)會增加防水線材與接口消耗，且更多的接口數(shù)將導(dǎo)致傳輸可靠性與穩(wěn)定性下降，不但無法滿足長距離傳輸需求，反而限制RGB Cluster像素的廣泛應(yīng)用。至于單線傳輸，除了傳輸線材成本較少，但相對的缺點為需要較復(fù)雜的電路與電路成本達到所要求的傳輸穩(wěn)定性，且傳輸頻率受限在一定的范圍之內(nèi)，串接顆數(shù)與傳輸距離也有限制。因此，就商業(yè)照明應(yīng)用而言，傳輸信號的選擇即是一連串傳輸效能、傳輸距離、成本、線材、空間、信賴性等不同要求的權(quán)衡與取舍(表1)。如何在成本控制得宜下采用較少線材，同時兼顧傳輸效能與質(zhì)量，即是目前RGB LED作為建筑物照明必須突破的方向。 

圖1　傳統(tǒng)四線傳輸示意圖

　　二線傳輸提高信賴/穩(wěn)定性

　　如果舍棄栓鎖信號線，以二線方式傳輸則可以利用頻率與數(shù)據(jù)信號來完成數(shù)據(jù)栓鎖(圖2)，其好處較其它多線或單線傳輸為多，包括傳送速率與特定條件下的串接RGB Cluster顆數(shù)可達三百顆以上的水平，成本與信賴性也較佳(表1)。

        但是二線傳輸若以頻率的高位準狀態(tài)區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)個數(shù)當(dāng)做封包的起始和結(jié)束命令，則頻率與數(shù)據(jù)每經(jīng)過一級驅(qū)動器，輸入與輸出存在著傳輸延遲，若串接多級Cluster及長距離傳輸將不易控制結(jié)束命令，且頻率經(jīng)過多級傳輸會改變脈寬。因此針對二線傳輸協(xié)議，本文將提出智能型傳輸技術(shù)方案，進一步解決上述問題。 

圖2　二線傳輸示意圖

表1　不同傳輸模式優(yōu)劣比較表

　　自動尋址/栓鎖角色吃重

　　所謂智能型傳輸技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)傳輸時的自動尋址(Auto-addressing)與自動栓鎖(Auto-latch)，以及脈寬波度的反相位(Clock-Inversed)等，透過上述方式來提高串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男刨囆耘c穩(wěn)定性。一個完整的數(shù)據(jù)封包架構(gòu)如圖3所示，包括前置時間(Prefix)、檔頭(Header)及數(shù)據(jù)，控制器僅須于檔頭區(qū)段設(shè)定數(shù)據(jù)類型的命令(Header)、地址(Address)、串接驅(qū)動器數(shù)目(Length)及檢查碼(Parity Check)(圖4)。

圖3　資料封包架構(gòu)示意圖

圖4　檔頭架構(gòu)示意圖

　　封包每經(jīng)過一級，檔頭的內(nèi)容運算后傳遞至下一級。傳遞的過程中，文件頭內(nèi)的地址隨著經(jīng)過的驅(qū)動器數(shù)目遞增，以作為下一顆驅(qū)動器尋址之用。每一顆串接驅(qū)動器內(nèi)部則自動尋址，此自動尋址方式可將數(shù)據(jù)正確地寫入驅(qū)動器，文件頭內(nèi)的串接數(shù)目不隨經(jīng)過的驅(qū)動器個數(shù)改變，但驅(qū)動器內(nèi)部緩存器會存放串接數(shù)目與地址做邏輯運算后的參數(shù)。當(dāng)文件頭的地址與此參數(shù)一致時，代表封包已傳遞至串接路徑中的最后一顆驅(qū)動器，最后一顆驅(qū)動器的影像數(shù)據(jù)到位后，即會觸發(fā)自動栓鎖的功能。驅(qū)動器的串接數(shù)目是以串接的驅(qū)動器顆數(shù)以遞減的方式填寫。而地址與串接數(shù)目無關(guān)，填0(10b''0000000000)(圖5)。當(dāng)傳輸?shù)臈l件惡劣時，檢查碼即可查看文件頭數(shù)據(jù)的正確性，避免誤寫以取得更可靠的傳輸質(zhì)量。

圖5　地址累計加總示意圖

　　脈寬頻率反相確保傳輸穩(wěn)定

　　在傳輸?shù)倪^程中，因傳輸距離以及串接多級組件的關(guān)系，產(chǎn)生信號之失真與寬度改變，無法維持50%的工作周期(Duty Cycle)，如此信號寬度改變重復(fù)累積之下，最后的信號脈寬將無法正確的驅(qū)動組件。其中脈寬之維持在于每一級傳輸單元輸入脈波信號之脈波寬度，以及輸出相等的脈波信號至下一級傳輸單元，如此可避免信號寬度改變。主要的脈寬改變原因之一為頻率信號中的正緣延遲(由低位準轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶粶手畷r間)與負緣延遲(由高位準轉(zhuǎn)變?yōu)榈臀粶手畷r間)不一致所造成。若負緣延遲時間較長，亦即由高位準轉(zhuǎn)變?yōu)榈臀粶手俣容^慢；相對的正緣延遲時間較短，由低位準轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶粶手俣容^快，則經(jīng)過多級傳輸單元后，正脈波寬度即會越來越寬(圖6)。頻率每經(jīng)過一級驅(qū)動器會有傳輸延遲，且工作周期也會改變，如前述經(jīng)過多級驅(qū)動器之后，工作周期無法保持50%，至第十級的輸入工作周期失真改變成為56.45%(圖7)。 

圖6　正脈波寬度改變示意圖

 
圖7　脈波工作周期實際波形量測

　　針對上述問題，常見的解決方式是將某一級傳輸單元所接收的頻率信號做反相(Phase-Inversed Output Clock)，再輸出此一反相頻率信號至下一級傳輸單元，此種情形之下，每經(jīng)過一級傳輸單元，頻率信號反相，本級的低位準變?yōu)橄乱患壍母呶粶?、本級的高位準變?yōu)橄乱患壍牡臀粶剩虼吮炯壍恼壸優(yōu)橄乱患壍呢摼?、本級的負緣變?yōu)橄乱患壍恼墶?/p>

　　盡管此時正緣延遲與負緣延遲不一致，但由于頻率信號正緣，相對于其后的負緣時間上產(chǎn)生時間變化，如圖8之t1所示，會在下一級頻率信號反相之后，使頻率信號正緣變成頻率信號之負緣，而相對于其后的正緣時間上產(chǎn)生t2的時間變化，在相同條件下t1與t2會相互抵消，故使得脈寬維持在原先的輸入脈波寬度，如圖9所示為十級串接且每一極輸出反相，如此可減少頻率信號每通過一級驅(qū)動器時產(chǎn)生的脈寬失真，確保頻率寬度可以通過多級驅(qū)動器而不縮小或增大，第十級的輸入頻率依舊維持50%工作周期。 

圖8　脈波寬度改變解決方式示意圖

 
圖9　脈寬反相之工作周期波形量測

　　隨著RGB LED應(yīng)用多樣化，如何在精簡成本的考慮下，采用穩(wěn)定可靠的傳輸技術(shù)，讓影像數(shù)據(jù)格式在傳輸過程中不因為外在環(huán)境變化而扭曲，就必須在傳輸頻率、級數(shù)及線材成本等之間作取舍。

　　由于傳輸距離越長，傳輸質(zhì)量受到的影響即越嚴重，為解決此問題，本文提出二線傳輸模式并搭配智能型之?dāng)?shù)據(jù)自動尋址與自動栓鎖，以正確地傳送數(shù)據(jù)，并透過頻率信號波形反相，維持輸入頻率信號之脈波寬度與工作周期，透過上述方式，以確保傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。