LED發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的語音同步驅(qū)動方法與實現(xiàn)

徐亞磊，戚克軍，熊曉東

(1.長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.武漢阿拉丁科技有限公司，湖北 武漢 430200)

LED發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的語音同步驅(qū)動方法與實現(xiàn)

徐亞磊1，戚克軍2，熊曉東1

(1.長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.武漢阿拉丁科技有限公司，湖北 武漢 430200)

提出了一種提取聲音幅度或節(jié)拍間隔信號用來實時控制發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的驅(qū)動技術(shù)和方法，通過語音拾取、檢波、低通濾波器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計實現(xiàn)對由多段RGB LED發(fā)光體構(gòu)成的發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的有效自動控制，達(dá)到聲光同步互動的效果，為園林亮化建設(shè)、智慧家居和舞臺燈光增添了新的元素。

LED驅(qū)動；發(fā)光環(huán)；聲光同步；轉(zhuǎn)速控制

引言

LED因發(fā)光有效性高、色彩豐富、節(jié)能環(huán)保、長壽命、響應(yīng)速度快、易控制和長期穩(wěn)定性等特點[1]以及封裝工藝的不斷改進和完善，正在取代傳統(tǒng)的照明方式，且在舞臺燈光、照明和亮化工程等方面都得到了廣泛應(yīng)用。以LED為基礎(chǔ)的各種驅(qū)動控制技術(shù)也得到了較大發(fā)展，目前已有追逐光、漸變光、閃爍光和旋轉(zhuǎn)光等驅(qū)動技術(shù)[2-3], 目前聲色互動在RGB LED驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域非常活躍，雖然2014世界CES大會首次出現(xiàn)了聲控亮度變化的燈具，但沒有人系統(tǒng)性提出如何利用聲波信號的哪一種特征去驅(qū)動LED光色如何變化，針對目前的技術(shù)現(xiàn)狀，在追逐光和旋轉(zhuǎn)光驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合音頻信號檢測技術(shù)，一種更為智能化和應(yīng)用前景更廣泛的RGB LED驅(qū)動方案在這里被提了出來，該方案的主要思想是通過提取音頻信號的兩個重要特征——包絡(luò)幅值和節(jié)拍間隔長短，作為信號線性地驅(qū)動發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)光的旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到聲色結(jié)合、人與光的互動、美化環(huán)境、美化生活和場景氛圍烘托的目的。

1 實現(xiàn)光環(huán)轉(zhuǎn)速控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)發(fā)光環(huán)轉(zhuǎn)速聲音幅度控制或節(jié)拍控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有聲波拾取、包絡(luò)檢波、低通濾波、微處理器、邏輯開關(guān)網(wǎng)絡(luò)及驅(qū)動、8段RGB LED發(fā)光環(huán)和紅外遙控等部分組成，其中紅外遙控用來設(shè)置系統(tǒng)的工作模式和完成手動操作命令，微處理器用于整個系統(tǒng)的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理，包括遙控命令數(shù)據(jù)的處理；語音信號實時控制發(fā)光環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度到底是語音包絡(luò)幅度還是節(jié)拍間隔有效，由遙控設(shè)置的工作模式參數(shù)決定。語音信號自動控制發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度時，拾音電路拾取語音信號、經(jīng)包絡(luò)檢波后、得到一個變化緩慢的單極性語音信號的包絡(luò)、該信號可以很真實地反應(yīng)出語音信號的幅度和節(jié)拍變化，再經(jīng)低通濾波濾除語音信號包絡(luò)的高頻分量得到一個比較純凈的低頻信號；對這個低頻信號采樣，送微處理器計算處理后，即可得到語音信號的峰值及其間隔，然后再轉(zhuǎn)換為24路選3邏輯開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的通斷時間常數(shù)就實現(xiàn)了3路PWM驅(qū)動信號在8段RGB LED 發(fā)光環(huán)上所產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)效應(yīng)轉(zhuǎn)速控制。

圖1 發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度語音自動控制方案Fig.1 Synchronous Solution for Sound Driving LED Light Rotation

2 信號提取及驅(qū)動轉(zhuǎn)換的基本算法

圖2(a)描述了從一個單極性語音信號到包絡(luò)檢波、濾波后得到一個比較純凈的低頻包絡(luò)信號，再到抽樣量得到包絡(luò)信號幅值的過程，其中t代表時間、XPi和TPi分別代表第i個語音峰值和第i個到第i+1個峰值間的時間間隔。若令v代表發(fā)光環(huán)的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/秒)、TPmax、XPmax、vmax和TPmin、XPmin、vmin分別為最大峰值間隔、最大峰值、最大轉(zhuǎn)速設(shè)定值和最小峰值間隔、最小峰值、最小轉(zhuǎn)速設(shè)定值，則峰值XP和峰值時間間隔TP和發(fā)光環(huán)轉(zhuǎn)速v的關(guān)系如圖2(b)所示，并滿足設(shè)如下算法：

當(dāng)XP>XPmax或TPTPmax時,v=vmin(如0.5轉(zhuǎn)/秒)。

當(dāng)XPmin

(1)

(2)

圖2 信號變換和驅(qū)動轉(zhuǎn)換Fig.2 Signal extracting & signal to rotation speed

以上算法中很重要一點是檢測語音信號峰值XP和節(jié)拍間隔TP。得到XP和TP后，根據(jù)系統(tǒng)的工作模式狀態(tài)分別將XP或TP轉(zhuǎn)換成對應(yīng)轉(zhuǎn)速的發(fā)光環(huán)每段LED或RGB LED 的開關(guān)時間常數(shù)，就形成了聲光同步旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。

3 轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 語音拾取電路

語音拾取電路如圖3所示，其中話筒是一個隨聲壓變化的應(yīng)變膜電阻，將語音信號轉(zhuǎn)化為電信號，在運放LM324的正端提供了一個+2.5V偏置電壓使輸出信號變成了一個完整的單極性信號，后接隔直電容后可得到交流語音信號X。

圖3 語音拾取電路Fig.3 voice picking-up circuits

3.2 檢波與濾波

在圖4所示電路[4]中，通過選取R1和C1使放電時間常數(shù)保證電容C1兩端電壓變化速率遠(yuǎn)大于信號X包絡(luò)變化速率得到無惰性失真[5]的包絡(luò)信號X1，圖5是傳遞函數(shù)為公式(3)、截止頻率為10Hz的六階巴特沃斯低通濾波器[6]通過它濾掉X1中豐富的高頻分量后，再通過調(diào)理電路將幅度調(diào)節(jié)到本微處理器STC12C5410AD 0～5V 的 A/D量化范圍[7]。

圖4 包絡(luò)檢波電路Fig.4 envelop detection

(3)

不難從圖6中看出，包絡(luò)信號X1經(jīng)過該濾波器后，信號質(zhì)量得到了明顯的改善，其中黃色波形是聲音信號原始信號，藍(lán)色波形是包絡(luò)檢波的信號。

圖5 增益為8截止頻率為10Hz的巴特沃斯低通濾波Fig.5 Butterworth low pass filter with Gain of 8 & 10Hz break frequency

圖6 語音信號處理前后波形Fig.6 Voice waveforms before & after filtered

3.3 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)及驅(qū)動電路

通過以上電路和亮化處理后，得到XP和TP， 圖7是所示驅(qū)動和控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將微處理器輸出的3路PWM驅(qū)動控制信號分別控制紅色、綠色和藍(lán)色場效應(yīng)管驅(qū)動器，并經(jīng)3N選3開關(guān)網(wǎng)絡(luò)接到構(gòu)成發(fā)光環(huán)的RGB LED模塊的R、G、B接線端，從而驅(qū)動 LED 可發(fā)任意光色，每一模塊的光色是由3路PWM信號的占空比組合所決定的，其通斷時間是由微處理器檢測到的語音包絡(luò)幅值或節(jié)拍間隔長短所決定的，并通過控制線來控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的動作， 從而達(dá)到了語音包絡(luò)幅值或節(jié)拍間隔長短自動控制光環(huán)轉(zhuǎn)速的目的。

圖7 發(fā)光環(huán)的驅(qū)動和開關(guān)控制網(wǎng)路Fig.7 Driving and stitch network

圖8 發(fā)光環(huán)語音驅(qū)動靜態(tài)效果Fig.8 Luminous ring driven by voice

4 結(jié)論

圖8是RGB LED模塊數(shù)N為8，聲音強度約為80dB獲得的單色光環(huán)轉(zhuǎn)速約23rps 高速旋轉(zhuǎn)時的靜態(tài)照片，更高速度的旋轉(zhuǎn)在視覺上已無法區(qū)分，但有亮度上的微小變化。

事實上，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)25 dB～85 dB聲音強度驅(qū)動任意色彩光環(huán)以0.02 rps～25 rps的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。在實際應(yīng)用中，融合了WiFi與藍(lán)牙技術(shù)，使產(chǎn)品更加智能化；同時實現(xiàn)了音量到色彩空間的影射，并且兼顧照明。因此本系統(tǒng)可變成具有很強適應(yīng)市場能力的實用產(chǎn)品化技術(shù)，并可應(yīng)用于娛樂、智慧家居、園林亮化、情緒釋放、聲光互動等多種場合。

[1] 彭銀. LED照明技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J].科學(xué)導(dǎo)報,2015(11):222.

[2] 湯莉莉，黃偉，黃孝康.紅外智能漸變式LED 臺燈的研究與設(shè)計[J]. 無線電工程， 2015，45(1): 65-67.

[3] 鄭凱.LED 閃光燈的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2015(31):24.

[4] 邵軍，孫廣榮，宗有泰. 新型峰值包絡(luò)檢波器的研究[J].電聲技術(shù), 1995(11):9-12.

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[6] 李鐘慎,洪健. 基于改進型Butterworth傳遞函數(shù)的高階低通濾波器的有源設(shè)計[J].電子測量與儀器學(xué)報,2008(1):86-89.

[7] 郭天祥. 新概念51單片機C語言教程—入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社， 2009.

A Synchronous Solution for Sound Driving LED Light Rotation

XU Yalei1， QI Kejun2， XIONG Xiaodong1

(1.Yangtze University Electronic Information Institute，Jingzhou 434023, China；2.WuhanAladinTech.Co.Ltd，Wuhan430200,China)

A synchronous solution, for sound driving LED light spinning, is proposed by extracting either sound signal amplitude or beat interval，which can control the rotation speed of a illuminating RGB LED ring in real-time. Based on the solution, a system is developed, which includes several sections such as voice pickup, envelope detection, low pass filter and a switching network. Experiments indicate that rotation speed of a luminous RGB LED ring, composed of multiple segments, changes linearly and automatically with signal amplitude or interval length. The system is possibly, as a new element, applied to performance stage, smart home and landscape flooding.

LED driving; luminous ring; sound-light synchronized; rotation control

TN203

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.019