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    从”芯”设计LED灯具控制系统——同步DMX512控制芯片的开发


    随着led功率亮度不断增加,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 Institutefor 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:   LAMPADDR,START,END,HOLD,FADE   其中,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Micro ship PIC16f628CPU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化很多的精力。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flash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TOSHIBATB62727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(Synchronizes DMX512CHIP)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。   SynchronizesDMX512CHIP   产品系列   SDMX5124---同步DMX512芯片,含三路4位PWM光电   SDMX5128---同步DMX512芯片,含三路8位PWM调光电路   SDMX51248---同步DMX512芯片,含八路4位PWM调光电路   SDMX51288---同步DMX512芯片,含八路4位PWM调光电路   特点:   ·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192 KBPS。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。   ·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。 ·4位X3PWM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。   16pinSOP封装,5umCMOS工艺。   DMX5124采用的数字CMOS工艺,成本低。   控制器采用了10BASET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,Aftereffects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0.5um CMOS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。  
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