傲斗遮天摇光圣女:从“芯” 设计LED灯具控制系统

从“芯” 设计LED灯具控制系统
 随着LED的功率和亮度不断增加，价格持续下降，LED 在灯光照明领域的应用越来越普遍普及。但是就目前的亮度和价格而言，LED要替代白枳灯还有很长的路要走，现在LED在照明领域的优势在于它们色彩可变、纯正和高可靠性。因此，娱乐场所、商业展示，城市景观照明将是LED在照明领域的主要应用。 1．LED常用的控制方法 LED 照明灯具的控制技术是提升LED 灯具应用水平的关键所在，目前，LED灯具的控制方式主要有下列几种方法：独立控制方法——在每个LED灯具中使用一个低价格单片机或者专用控制芯片。产生一系列颜色变换，如七彩、渐变等等，有的控制芯片上还带有音频同步口。能使LED与附近的音乐同步闪烁，灯与灯之间没有控制线，靠上电，或者AC过零点同步。这种产品的特点是比较简单，灯头、灯座等与传统灯具兼容，能大批量生产和出口。但是，它们的缺点是无法实现追逐，逐断变化灯复杂的灯光变化，更不能根据应用的需要设计出整体的灯光方案。因此只能应用于局部简单的场合。 联线控制方法——LED灯具与控制器相连，控制器通过DMX512 联成网络，实现对LED灯具的控制。另一种联线控制方法是在每一个灯管中含有一个低价格单片机，它们通过RS485连线控制，也有使用移位寄存器（SPI总线）来传送LED控制信号。 2．我们在LED灯具控制器方面作的探索 我们在设计LED灯具控制器时，主要开发联线控制的技术，先后开发了DALI接口，DMX512， 移位寄存器等各种方案的产品。本文分析各种方法的优缺点，并提出了一种我们认为最好的方案，并开发了相应的灯光控制芯片。这项工作我们共化了两年的时间。 DMX512 控制器方案 DMX512 是传统的舞台灯光控制协议，由美国剧场技术协会（United State Institute for Theatre Technology，Inc）于1986年8月提出的一个能在一对线上传送512路可控硅调光亮度信息的标准。 DMX512通信方式是采用了异步通信格式，每个调光点由11位组成，其中一个是起始位，8位调光数据，两个停止位。每一次传输能512个调光点。 DMX512现在是最流行的控制方法，一般是将电源和控制器设计在一起。由DMX512控制器控制8～24线。直接驱动LED灯具的RBG线，但是在建筑光亮工程中，由于直流的线路衰弱大，要求在12米左右就要安装一个控制器，控制总线为并行方式，因此，控制器的走线非常的多。很多场合甚至无法施工。 DMX512的接收器要设置地址，让它能接收那几个调光数据，这在实际应用中不方便。 多个控制器互联来控制复杂的照明方案，软件比较复杂。DMX512比较适合灯具集中在一起的场合，如舞台灯光。 DALI总线方案 DALI是欧洲提出来的一种灯光控制总线方案，在DALI系统中，每个灯具有一个地址，并有一组控制命令。可寻址范围是144个灯，并能实现群控的能力，在将DALI应用到LED灯具控制过程中，我们扩展了LED控制命令： LAMP ADDR，START，END，HOLD，FADE LAMP 是LED灯光控制命令。 Addr 是被控LED灯具的地址。 START 是LED灯具开始的颜色。

EDD 是LED灯具结束的颜色。 HOLD 是保持的时间。 FADE 是渐变的时间。 每个LED灯具中使用一颗Microship PIC 16f628 CPU完成了DALI数据的接收和DALI命令的控制。 在该控制系统的开发过程中，我们发现，没有一种方法能让灯光工程商方便地来设计灯光变化的方案，而市场上流行的做法是在工程公司接到一个光亮工程后，提出灯光变化的要求，让控制器的设计人员编写相应的单片机软件，尽管很简单，又是重复劳动，但是必竟要化时间，协调起来也很困难。灯光工程商在找控制器上要花很多的精力。这样做的结果是不便于产业化分工，往往是灯具制造厂要直接介入灯光工程，成本很高。 为此我们设计了L40灯光控制语言和模拟软件。L40语言类似于计算机汇编语言，由控制器解释执行。 另一方面，对于在每个灯具中烧一个地址，工程安装时非常不便，为此，我们改用了RS485接口，采用了级联的方法，通过软件协议来自动识别地址解决了这个问题。 在这种控制器的使用过程中，我们发现，仍然存在两个问题，一是通信的速度不够快，尽管我们以采用了19.2K的通信速率，在灯多的时候，仍然不够理想；另一方面，要外地的工程商来学习L40语言，需要培训和人力，往往工程商找不到这样的人员． SPI 移位总线方案 在开发DALI控制器的同时，我们也开发基于SPI移位寄存器的方法来控制LED灯具，基于SPI移位寄存器的LED驱动器芯片一般是为LED显示屏开发的，有单色的，也有可控制灰色的。东芝、TI、台湾和大陆很多公司开发了这一类芯片。我们认为，采用这一类芯片的控制器有如下几个优点： 它们是基于像素的控制方法，我们能够将PC屏幕上的图像直接转换成LED的像素的色彩。这样一来，用户能够用PC上的软件直接设计灯光方案，典型的方法是采用FALSH软件，或者用MEDIAPLAY的可视化效果产生图案，使LED灯光的变换大大增强了。 采用了级联的方法，变化速率很快。 但是这种方法的问题于，数据量比较大，灯与灯之间的线比较多（五根线）。软件难度大，对控制器的CPU能力要求高。市面上产品一般是在PC上加一个插卡，再用五类线或光缆连接到前端控制板，由前端控制板上的LED驱动芯片来驱动多个LED灯具。 由于目前市面上的LED驱动芯片主要是为LED 显示屏设计的。在LED 显示屏上，LED 的密度很大，所以，为显示屏设计的LED驱动芯片是多路的，如8路、16路或者32路，成本高，PCB面积大，但是LED灯具中的像素比较少，大多数情况下为单像素。它们的控制PCB要求比较小，成本低。 采用LED显示屏驱动芯片来构成集中式的LED像素灯，要从LED控制器引出NX4根（R，G，B，GND），一个8X8的板要引出256根线，做出来的产品，背面全是线，非常的不可靠。 LED 显示屏的LED驱动电路一般使用了A/D转换的方法来控制LED的恒流源驱动，因此，它们的驱动电流不大，一般为2~50mA 电流。如TOSHIBA TB62727芯片。对于LED灯具来讲，有时就不够了。 现在有几家公司推出了单点RGB驱动芯片，但是比较贵。 另一方面，SPI使用三根线来控制数据的快速移位。对于LED灯具来讲，一个灯具上使用一进一出共要6根控制线，明显太多了，大大增加了防水接头，控制电缆的成本。
3．问题驱动我们从”芯”设计LED灯具控制芯片 在完成了各种LED灯具控制器和灯具产品的开发之后，我们对LED灯具及控制技术有了全新的认识。 我们体会到，一个理想的LED灯具控制器芯片因具有如下特点： 1. 使用简单，灵活。不要编程，普通人会用。 2. 接线简单，越少越好。 3. 能适应LED快速发展的需要。 4. 成本低廉。 这样的灯具能达到： 制造与光亮工程分离，完成专业化分工。 产品便于出口。 推进产品标准化。 为了达到这一理想的境界，我们决定从自行开发LED灯具芯片开始进入全新的开发工作。 总体方案 芯片采用了DMX512传输的帧结构，将DMX512的异步方式改为了同步方式，因此，我们称为同步DMX512（SynchronizesDMX512 CHIP）芯片。 与传统的DMX512接收器相比，同步DMX512具有如下优点： 能采用移位方式传输调光数据，不需要设置地址。 传输的速度快。因为没有停止位和起始位。 保留了DMX512单线级联方式，硬件接口可以仍然使用RS485。 与传统的SPI接口相比，引出/引入线少。 SynchronizesDMX512 CHIP 产品系列 SDMX5124---同步DMX512芯片，含三路4位PWM调光电路 SDMX5128---同步DMX512芯片，含三路8位PWM调光电路 SDMX51248--- SDMX51288--- 特点： 1、同步DMX512总线，使用一根线实现控制数据的移位和置入，速率达192KBPS。 这样，灯与灯之间的联线只要三根线了（+24V，DATA，GND）。能采用普通的防水结头。 2、RGB 三路输出，外接MOSFET/三极管驱动大功率LED光源。 普通LED驱动器使用ADC来控制LED恒流源，使LED的驱动电流受到了限制，CP100使用了PWM调光，外接驱动管的方案，能适应各种LED，提高了产品的适应性。 3、 4位X3 PWM 调光电路， 产生4096种彩色，PWM 频率为768K，无闪烁。 LED显示屏的驱动电路的每路控制位数比较多（8位或更多），再加上光调整数据使得刷屏数据很多，要求移位数据比较多，但在灯具中，要求色彩的等级和色差不高，4位已足够了，数据量少，降低了通信的速率，成本低，可靠性高。 4、16 pin SOP封装，5umCMOS 工艺。 CP100 采用的数字CMOS工艺，成本低。 控制器采用了10 BASE T 以太网联网 LAN网络已非常普及，大量标准化、低价格的网络产品可供选择。 市面上许多的LED控制器供应商，都宣称能提供许多的图案变化方案，或为客户定制。实际上，最好的方法是将图案变化方案的设计交给客户，或者专业人士，因为这项工作有太多的资源可以利用。我们是基于这种设计理念来开发ColorPixel系统的。 客户能使用FLSAH，After effects 等出色的工具来设计图案变化方案，colorpixel 提供了转换工具，将它们转换成COLORPIXEL 控制数据。
ColorPixel 能够实时抓取WINDOWS 屏幕上播放的图像将它转换成COLORPIXEL 控制数据，存储到SD卡上。 结论 我们在开发了各种LED灯具和控制器的基础上，感到目前市面上还没有比较适合的LED灯具控制芯片，本项目对传统DMX512控制协议作了改进，提出了同步DMX512的技术方案，并开发了开发了同步DMX512总线接收器芯片，采用0.5umCMOS工艺，SOP16封装，在实际应用中收到了比较好的效果，具有很大的推广价值。