LED全彩燈光控制系統(tǒng)介紹

背景

LED作為一種新型光源，以其低供電電壓，低功耗，長壽命，無輻射的特點，在許多場合得到應用，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用，從傳統(tǒng)的僅作室內儀表信號指示，逐步發(fā)展到應用于交通信號燈、汽車信號燈、背光源、室內外大屏幕顯示，以及目前正向照 明領域的深入。目前LED在照明領域的應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，由此可以利用嵌入式微處理器， 按PWM（占空比）方式獨立控制R（紅），G（綠），B（藍）發(fā)光灰度，從而實現(xiàn)全彩效果的LED燈光控制技術。由于采用超高亮LED的裝飾照明燈具，其 亮度已達到要求，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，目前已開始逐步推廣，預計今后幾年將會有比較大的發(fā)展。

控制單元

控制單元是指可獨立變化出全彩色的燈具單元，也可稱作像素。它至少應包含一只紅色LED、一只綠色LED、一只藍色LED，各顏色LED的數(shù)目根據 配色要求按一定比例構成。可將這些控制單元制作成單個燈具，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構成的 一個單元，通常必須進行混光處理，否則不能看到理想的全彩效果。在同一個發(fā)光單元中LED應緊密排列，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為正常使用時觀看點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)獨立控制每個發(fā)光單元中的三種發(fā)光二極管的灰度級別，亦即控制每個發(fā)光 單元中的紅、綠、藍三種顏色各自的亮度，就可使每個發(fā)光單元調配出多種不同的顏色，若在同一時間內控制不同的發(fā)光單元顯示出不同的顏色，就可使燈具的整個 發(fā)光部位呈現(xiàn)出色彩斑斕的效果。目前出現(xiàn)的功能比較強大的控制系統(tǒng)，可通過軟件設置每個控制單元的顏色值，根據系統(tǒng)的參數(shù)，設置各個顏色的灰度級別，一般 為256級（8位），目前具有代表性的有臺灣點晶科技的一款DM413全彩LED阿驅動芯片，帶有灰度發(fā)生器，默認為256級灰度，最高可設置為8192 級灰度，實現(xiàn)的效果極為細膩。單個DM413芯片只控制一個顯示單元，使得每個控制單元的電路相同，而且非常簡單，一次開發(fā)，重復使用。

控制系統(tǒng)結構

整個控制系統(tǒng)分為兩個部分：控制器部分和LED驅動部分（見圖1）。 控制器部分是系統(tǒng)的核心部分，它最基本的功能是將每個控制單元的顏色數(shù)據發(fā)送給相應控制單元，使所有單元相互配合，產生用戶預想的效果；LED驅動部分的 功能是接收顏色數(shù)據并驅動LED按該數(shù)據所表示的亮度值顯示。每個基于DM413的LED驅動模塊，單獨控制一個LED燈具單元，每個模塊結構相同，與控 制器的連接方式也相同。系統(tǒng)采用串行級聯(lián)的方式連接，每個模塊具有輸入和輸出接口，前一模塊的輸出接口通過數(shù)據線與后一模塊的輸入接口連接，直到最后一個 模塊為止。LED驅動模塊（見圖2）是以DM413為核心的電路，DM413具有若干信號輸入輸出引腳及多個功能設定引腳。信號通過輸入接口給DM413 相應的輸入引腳。3個輸出引腳用于連接LED，可分配給R，G，B三個顏色，同一個輸出引腳接相同顏色的LED，根據配色需要，每個輸出引腳可接一個或多 個LED。輸入的串行信號通過輸出引腳發(fā)送出來，通過輸出接口傳到下一級芯片。
圖1

圖2
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控制原理

LED控制器內置高性能單片微型控制芯片，控制器通過內部控制程序向LED驅動芯片發(fā)送控制信號和數(shù)據，LED驅動芯片根據控制信號和數(shù)據的要求， 產生相應的動作，從而對每一路紅、綠、藍LED實現(xiàn)單獨的控制。若微控制器連續(xù)地向一串LED驅動芯片發(fā)送控制信號和數(shù)據，則可使各LED受到連續(xù)的協(xié)調 控制。可將預想的變化效果轉化成LED控制器可處理的數(shù)據格式及適當?shù)目刂浦噶?，再連續(xù)地發(fā)送給各個LED驅動芯片，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，操作簡便，功能強大的軟件系統(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線：一條串行數(shù)據輸出線，一條時鐘信號輸出線及一條鎖存信號線。這三條線分別接到驅動芯片相應的3個引腳上。和一般的串 行移位機制相同，在時鐘信號的控制下，串行數(shù)據在驅動芯片內部移位寄存，由于串行數(shù)據表示的是每種顏色的灰度級別，而不是簡單的開關信號，所以芯片內部的 移位速率比7彩應用的芯片（如74HC595）要高很多。當數(shù)據發(fā)送接收完畢，控制器向驅動芯片發(fā)送鎖存信號，使LED驅動芯片鎖存已存儲的數(shù)據， DM413在鎖存的同時會根據所存儲的數(shù)據驅動LED發(fā)光。有些芯片另有一個輸出使能引腳，用于單獨控制輸出信號。LED發(fā)光灰度是由驅動芯片所存儲的數(shù) 據決定的，全彩驅動芯片內置灰度產生器，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，根據芯片所存儲的數(shù)據設定亮和滅所占的比例， 即實現(xiàn)灰度級別的控制。DM413可選擇三種灰度級別，8位（256），10位（1024）和13位（8192），即可使每種顏色產生256級（以256 級灰度為例）灰度等級，單獨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 式顯示出細膩生動的圖案，動畫效果。

軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是控制系統(tǒng)和燈光效果設計師的交互窗口，它具有十分重要的作用。軟件系統(tǒng)的作用是讓光效設計師通過簡便的，人性化的操作編輯出預想的效果， 并轉化為控制系統(tǒng)可接受的數(shù)據格式和控制指令。這些效果包含常規(guī)的顏色跳變，漸變，彩虹滾動等，也可能包含文字，圖片的顯示，視頻，動畫的播放等。軟件系 統(tǒng)根據特定的效果，計算每個控制單元的顏色數(shù)據，最終生成用于控制器的光效文件。根據系統(tǒng)的聯(lián)機或脫機特性，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，可極大的簡化光效的編輯，甚至完成一些人工無法完成的效果。

結束語

LED是一類可直接將電能轉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)光響應時間極短，光色純，結構牢固，抗沖擊， 耐振動，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，現(xiàn)已能批量生產各種顏色的高亮度、高性能產品，隨著發(fā)光二極管發(fā)光效率的提 高，再結合相應控制技術的進步，相信在不久的將來，LED光源會逐步取代傳統(tǒng)的照明光源，而掀起一次照明領域新的革命。