從”芯”設(shè)計(jì)LED燈具控制系統(tǒng)——同步DMX512控制芯片的開發(fā)

　隨著LED的功率和亮度不斷增加，價(jià)格持續(xù)下降，LED在燈光照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普遍普及。但是就目前的亮度和價(jià)格而言，LED要替代白枳燈還有很長(zhǎng)的路要走，現(xiàn)在LED在照明領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)在于它們色彩可變，純正和高可靠性。因此，娛樂場(chǎng)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(dú)立控制方法---在每個(gè)LED燈具中使用一個(gè)低價(jià)格單片機(jī)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(diǎn)同步。這種產(chǎn)品的特點(diǎn)是比較簡(jiǎn)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(diǎn)是無(wú)法實(shí)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(jì)出整體的燈光方案。因此只能應(yīng)用于局部簡(jiǎn)單的場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈具的控制。另一種聯(lián)線控制方法是在每一個(gè)燈管中含有一個(gè)低價(jià)格單片機(jī)，它們通過RS485連線控制，也有使用移位寄存器(SPI總線)來(lái)傳送LED控制信號(hào)。

　　2、我們?cè)贚ED燈具控制器方面作的探索

　　我們?cè)谠O(shè)計(jì)LED燈具控制器時(shí)，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(diǎn)，并提出了一種我們認(rèn)為最好的方案，并開發(fā)了相應(yīng)的燈光控制芯片。這項(xiàng)工作我們共化了兩年的時(shí)間。

　　DMX512控制器方案

　　DMX512是傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈光控制協(xié)議，由美國(guó)劇場(chǎng)技術(shù)協(xié)會(huì)（United State Institutefor Theatre Technology，Inc）于1986年8月提出的一個(gè)能在一對(duì)線上傳送512路可控硅調(diào)光亮度信息的標(biāo)準(zhǔn)。

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

　　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(jì)在一起。由DMX512控制器控制8～24線。直接驅(qū)動(dòng)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(gè)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(chǎng)合甚至無(wú)法施工。

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

　　多個(gè)控制器互聯(lián)來(lái)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(chǎng)合，如舞臺(tái)燈光。

　　DALI總線方案

　　DALI是歐洲提出來(lái)的一種燈光控制總線方案，在DALI系統(tǒng)中，每個(gè)燈具有一個(gè)地址，并有一組控制命令。可尋址范圍是144個(gè)燈，并能實(shí)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(kuò)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(shí)間。

　　FADE是漸變的時(shí)間。

　　每個(gè)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(lái)設(shè)計(jì)燈光變化的方案，而市場(chǎng)上流行的做法是在工程公司接到一個(gè)光亮工程后，提出燈光變化的要求，讓控制器的設(shè)計(jì)人員編寫相應(yīng)的單片機(jī)軟件，盡管很簡(jiǎn)單，又是重復(fù)勞動(dòng)，但是必竟要化時(shí)間，協(xié)調(diào)起來(lái)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?cè)O(shè)計(jì)了L40燈光控制語(yǔ)言和模擬軟件。L40語(yǔ)言類似于計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言，由控制器解釋執(zhí)行。

　　另一方面，對(duì)于在每個(gè)燈具中燒一個(gè)地址，工程安裝時(shí)非常不便，為此，我們改用了RS485接口，采用了級(jí)聯(lián)的方法，通過軟件協(xié)議來(lái)自動(dòng)識(shí)別地址解決了這個(gè)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(gè)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(shí)候，仍然不夠理想，另一方面，要外地的工程商來(lái)學(xué)習(xí)L40語(yǔ)言，需要培訓(xùn)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(shí)，我們也開發(fā)基于SPI移位寄存器的方法來(lái)控制LED燈具，基于SPI移位寄存器的LED驅(qū)動(dòng)器芯片一般是為L(zhǎng)ED顯示屏開發(fā)的。有單色的，也有可控制灰色的。東芝，TI，臺(tái)灣和大陸很多公司開發(fā)了這一類芯片。我們認(rèn)為，采用這一類芯片的控制器有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　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(lái)，用戶能夠用PC上的軟件直接設(shè)計(jì)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(qiáng)了。采用了級(jí)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(duì)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(gè)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(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED燈具。

　　由于目前市面上的LED驅(qū)動(dòng)芯片主要是為L(zhǎng)ED顯示屏設(shè)計(jì)的。在LED顯示屏上，LED的密度很大，所以，為顯示屏設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片來(lái)構(gòu)成集中式的LED像素?zé)?，要從LED控制器引出NX4根（R，G，B，GND)，一個(gè)8X8的板要引出256根線，做出來(lái)的產(chǎn)品，背面全是線，非常的不可靠。

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

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

　　另一方面，SPI使用三根線來(lái)控制數(shù)據(jù)的快速移位。對(duì)于LED燈具來(lái)講，一個(gè)燈具上使用一進(jìn)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(dòng)我們從”芯”設(shè)計(jì)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(duì)LED燈具及控制技術(shù)有了全新的認(rèn)識(shí)。

　　我們體會(huì)到，一個(gè)理想的LED燈具控制器芯片因具有如下特點(diǎn)：

　　1.使用簡(jiǎn)單，靈活。不要編程，普通人會(huì)用。

　　2.接線簡(jiǎn)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(dá)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(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。

　　為了達(dá)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(jìn)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(diǎn)：

　　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?yàn)闆]有停止位和起始位。

　　保留了DMX512單線級(jí)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(diǎn)：

　　·同步DMX512總線，使用一根線實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的移位和置入，速率達(dá)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(dòng)大功率LED光源。普通LED驅(qū)動(dòng)器使用ADC來(lái)控制LED恒流源，使LED的驅(qū)動(dòng)電流受到了限制，CP100使用了PWM調(diào)光，外接驅(qū)動(dòng)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(wú)閃爍。LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)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(jí)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(biāo)準(zhǔn)化，低價(jià)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?yàn)榭蛻舳ㄖ?。?shí)際上，最好的方法是將圖案變化方案的設(shè)計(jì)交給客戶，或者專業(yè)人士，因?yàn)檫@項(xiàng)工作有太多的資源可以利用。我們是基于這種設(shè)計(jì)理念來(lái)開發(fā)ColorPixel系統(tǒng)的。

　　客戶能使用FLSAH，Aftereffects等出色的工具來(lái)設(shè)計(jì)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(shí)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(chǔ)到SD卡上。

　　結(jié)論

　　我們?cè)陂_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(xiàng)目對(duì)傳統(tǒng)DMX512控制協(xié)議作了改進(jìn)，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(shí)際應(yīng)用中收到了比較好的效果，具有很大的推廣價(jià)值。