LED全彩燈光控制系統的實現

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，發光二極管得到了廣泛的應用，從傳統的僅作室內儀表信號指示，逐步發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）發光灰度，從而實現全彩效果的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勢，目前已開始逐步推廣，預計今后幾年將會有比較大的發展。

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。通過控制系統獨立控制每個發光單元中的三種發光二極管的灰度級別，亦即控制每個發光 單元中的紅、綠、藍三種顏色各自的亮度，就可使每個發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光單元顯示出不同的顏色，就可使燈具的整個 發光部位呈現出色彩斑斕的效果。目前出現的功能比較強大的控制系統，可通過軟件設置每個控制單元的顏色值，根據系統的參數，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，帶有灰度發生器，默認為256級灰度，最高可設置為8192 級灰度，實現的效果極為細膩。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，重復使用。

控制系統結構

       整個控制系統分為兩個部分：控制器部分和LED驅動部分（見圖1）。 控制器部分是系統的核心部分，它最基本的功能是將每個控制單元的顏色數據發送給相應控制單元，使所有單元相互配合，產生用戶預想的效果；LED驅動部分的 功能是接收顏色數據并驅動LED按該數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。系統采用串行級聯的方式連接，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送出來，通過輸出接口傳到下一級芯片。

    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驅動芯片發送控制信號和數據，LED驅動芯片根據控制信號和數據的要求， 產生相應的動作，從而對每一路紅、綠、藍LED實現單獨的控制。若微控制器連續地向一串LED驅動芯片發送控制信號和數據，則可使各LED受到連續的協調 控制。可將預想的變化效果轉化成LED控制器可處理的數據格式及適當的控制指令，再連續地發送給各個LED驅動芯片，則可使整體燈飾表現出想要的效果。此 處，和控制器緊密配合，操作簡便，功能強大的軟件系統成為必要。以下先分析控制系統的原理。

       控制器輸出接口具有三條信號線：一條串行數據輸出線，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，串行數據在驅動芯片內部移位寄存，由于串行數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。當數據發送接收完畢，控制器向驅動芯片發送鎖存信號，使LED驅動芯片鎖存已存儲的數據， DM413在鎖存的同時會根據所存儲的數據驅動LED發光。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發光灰度是由驅動芯片所存儲的數 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據設定亮和滅所占的比例， 即實現灰度級別的控制。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

       軟件系統是控制系統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， 并轉化為控制系統可接受的數據格式和控制指令。這些效果包含常規的顏色跳變，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 統根據特定的效果，計算每個控制單元的顏色數據，最終生成用于控制器的光效文件。根據系統的聯機或脫機特性，軟件的使用略有不同。控制系統具有一套完善的 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光器件，具有工作電壓低，耗電量小，發光效率高，發光響應時間極短，光色純，結構牢固，抗沖擊， 耐振動，性能穩定可靠，重量輕，體積小，成本低等一系列特性，發展突飛猛進，現已能批量生產各種顏色的高亮度、高性能產品，隨著發光二極管發光效率的提 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的照明光源，而掀起一次照明領域新的革命。