大功率LED無線調(diào)光系統(tǒng)研究

譚家杰

(衡陽師范學院 物理與電子工程學院，湖南 衡陽 421002)

大功率LED作為第四代照明器件具有體積小、效率高、壽命長、環(huán)保、節(jié)能特點[1-3]。LED照明的效率可達50-200 lm/W，在相同的照明條件下，耗電量是白熾燈的十分之一，日光燈五分之一，熒光燈的二分之一[4]，節(jié)能效果相當明顯，被稱為“綠色能照明光源”。隨著LED應用的快速發(fā)展，它逐步應用到各個領(lǐng)域，如背景光源、道路照明、室內(nèi)照明、汽車照明等[5-6]。LED與其它發(fā)光器件不同，需要專用的驅(qū)動電路才能保持高效、穩(wěn)定地工作，且對LED進行恒流驅(qū)動較為可靠[7]。因此，LED調(diào)光顯得越來越關(guān)鍵，LED調(diào)光技術(shù)可以分為模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光兩大類。模擬調(diào)光它是利用直流電壓信號使LED驅(qū)動器輸出電流連續(xù)地變化，從而實現(xiàn)對LED的線性調(diào)光[8]。數(shù)字調(diào)光則是用單片機等器件直接產(chǎn)生數(shù)字信號來控制LED的發(fā)光強度，數(shù)字調(diào)光有抗干擾性能好的特點。目前，對LED燈的控制方式分為有線控制和無線控制方式。有線控制方式具有布線麻煩，系統(tǒng)可擴展性差，系統(tǒng)成本高等缺點[9]，如485總線技術(shù)控制LED的調(diào)光模塊[10-11]。由于短距離無線通信方式的興起，LED無線調(diào)光方式主要有：ZigBee調(diào)光[1-2,9,12-14]、WiFi調(diào)光[15-16]、nRF905調(diào)光[17]、紅外調(diào)光[18]、nRF2401調(diào)光[19]。上述無線通信方式為LED照明提供了更加便捷控制方式。

根據(jù)室內(nèi)照明要求，設(shè)計了一款基于nRF24L01無線通信的調(diào)光控制系統(tǒng)。由STM8S103F3P6單片機控制一個電流型PWM控制，無線傳輸系統(tǒng)采用同款MCU，由單片機發(fā)出指令，接收機根據(jù)指令控制3顆LED燈具組輸出10級亮度，系統(tǒng)達到了無線PWM調(diào)光的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以STM8S103F3P6為主控芯片，系統(tǒng)分為發(fā)射端和接收控制端兩部分，總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)射模塊包括：單片機、nRF24L01模塊、按鍵、OLED顯示模塊、串口通信模塊。接收端有單片機、nRF24L01模塊、OLED顯示模塊、PWM控制模塊，接收端可以為多個，但是最多不超過六個。調(diào)節(jié)LED輸出不同光強等級編碼的方法有兩種：一是在發(fā)射端按下輕觸按鍵，系統(tǒng)產(chǎn)生外部中斷，從而產(chǎn)生等級編碼；二是單片機通過RS232接口接收上位機的等級編碼。單片機將編碼先進行判斷，再次編碼送nRF24L01模塊以GFSK信號發(fā)射。接收端的nRF24L01模塊接收GFSK信號解調(diào)后送單片機，單片機譯碼控制PWM控制模塊，后者產(chǎn)生PWM信號來控制LED輸出相應等級的光強。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 nRF24L01無線通信

短距離無線通信目前是學術(shù)界的熱點，其主要特點是通信距離短、成本低、覆蓋的范圍從數(shù)十米到數(shù)百米。一般發(fā)射功率小于100 mW；工作頻率為免費，且為ISM(Industrial，Scientific and Medical)頻段。短距離無線通信的典型技術(shù)有：藍牙、WiFi、ZigBee、紅外(IrDA)、超寬帶(UWB)、近場通信(NFC)。挪威Nordic公司推出的高集成度的短距離無線收發(fā)芯片nRF24L01，它內(nèi)置鏈路層，包括調(diào)制器、解調(diào)器、頻率合成器等，它的傳輸速度能夠達到2 Mbps，工作頻率為2.45 GHz，有125個可選通信頻道；工作電壓為1.9 V-3.6 V，工作溫度為-40 ℃-85 ℃；具備自動應答和自動重發(fā)的功能，能在很短時間內(nèi)進行頻道切換，它的輸出功率、頻道選擇以及協(xié)議等工作參數(shù)都可以通過寫芯片狀態(tài)字配置得到。此外Nordic公司還提供通信模塊的Gerber文件，可以直接投入生產(chǎn)。如果芯片工作在 Enhanced ShockBurst的模式下，它可以同時控制應答及重發(fā)功能，并且無需增加單片機控制器的工作量[20]。nRF24L01還具備在同一頻道接收多路不同通道數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)一對多的雙工無線通信的功能，由此可見它是實現(xiàn)LED無線調(diào)光的最佳選擇，非常適合以單片機構(gòu)建無線通信控制系統(tǒng)。將其用于LED的室內(nèi)照明不但可以減少布線的復雜程度，還可以增加照明的智能性。系統(tǒng)的單片機與nRF24L01模塊、OLED顯示模塊連接如圖2所示。

圖2 硬件連線

系統(tǒng)采用意法半導體的STM8S103F3P6單片機，它是STM8S系列中一款高性價比8位微處理器，具有3級流水線的哈佛架構(gòu)。用戶存儲空間為8k，數(shù)據(jù)存儲空間為1 k，最高工作頻率為16 MHz。工作電壓為2.95 V-5.5 V，與nRF24L01、OLED的電壓相匹配。選用這款單片機的原因還在于其價格低廉、速度快、性價比高等特點，還自帶串行外設(shè)接口(SPI，Serial Peripheral Interface)，與nRF24L01模塊接收、發(fā)送數(shù)據(jù)接口一致，但是它比單片機的SPI口多了模式控制端口(CE)、中斷端口 (IRQ)，其接口及作用如表1所示。

表1 nRF24L01的SPI接口及意義

單片機與nRF24L01接口方式?jīng)Q定了系統(tǒng)程序的寫法。第一種連線方法是SPI模式，將單片機的SPI口與nRF24L01對應相連接，其中PC5、PC6、PC7、PA3是STM8S103F3P6的SPI接口。這種連接方式為：PC7口接nRF24L01模塊的MISO，PC6口接nRF24L01模塊的MOSI，PC5口與nRF24L01模塊的SCK連接，PA3口與nRF24L01模塊的CSN相連接，而多余的IRQ、CE端口可以任選單片機I/O連接。第二種稱為模擬SPI模式，不考慮單片機的SPI接口而直接連接。系統(tǒng)采用第二種模擬SPI方式，其中IRQ與程序下載口SWIM是復用連接的，在編寫程序時需要注意，具體見圖2。

系統(tǒng)輸出選用I2C模式的OLED用來顯示系統(tǒng)的調(diào)試狀況，因此把單片機的I2C口與OLED對應端口連接，即PB4連接SCL，PB5連接SDA，這種連線方式便于系統(tǒng)程序的編寫。

3 PWM調(diào)光原理

脈沖寬度調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬器件組成的電路進行非常有效控制的一種方法，該技術(shù)廣泛應用于通信、測量、功率控制等領(lǐng)域。大功率LED調(diào)光方式一般采用PWM調(diào)制模式，它的開關(guān)信號以足夠高的頻率工作，改變PWM信號的周期或占空比達到輸出參量的改變，這里的輸出參量為輸出光強，也稱為PWM調(diào)光[8]。這種調(diào)光方式的優(yōu)點是：非常適合單片機的控制，能夠在較大負載變化范圍內(nèi)保持電源較高的轉(zhuǎn)換效率，而且能極大改善輸出的信噪比。大功率LED的PWM調(diào)制方式分為電壓型調(diào)制和電流型調(diào)制兩種方式。由LED的電光特性可知，發(fā)光亮度與通過的電流有關(guān)，大多數(shù)采用恒流控制[6,8]。其中，電流型優(yōu)于電壓型，電流型PWM工作原理如圖3所示。這種電路就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)或負載變化的情況下，控制電路通過被控信號與基準信號的差值進行閉環(huán)控制。其特點是電源的效率高、輸出電流穩(wěn)定可靠。

圖3 電流型PWM調(diào)制原理

圖3 所示的電流型PWM調(diào)光系統(tǒng)是由電壓環(huán)、電流環(huán)負反饋環(huán)路組成。電壓負反饋環(huán)是由電阻Rsense、A2集成運放組成，從Rsense取出電壓V2與Verror進行比較作用于RS觸發(fā)器。電流環(huán)則是由電阻R1、R2、A1比較器組成，從肖特基二極管取出電流，經(jīng)由R1、R2轉(zhuǎn)換為電壓值V1，它與參考電壓之差放大后輸出誤差電壓Verror，兩個閉合環(huán)路產(chǎn)生負反饋有利于系統(tǒng)在恒定的電流上穩(wěn)定運行。這種電路存在缺點是不適合單片機的控制，將這種方式也稱為模擬電流型PWM調(diào)制。為了使其適合單片機的控制，需要對其控制部分進行改造。首先修改電流環(huán)，將R1、R2組成電流反饋環(huán)路的電壓V1輸入單片機的A/D轉(zhuǎn)換端口，通過單片機對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，然后與帶隙參考電壓比較產(chǎn)生Verror誤差電壓。其次，將V2也送入數(shù)模轉(zhuǎn)換端，并與誤差電壓比較。最后計算占空比，具體做法是固定PWM信號的周期，求出PWM的占空比參數(shù)。PWM控制電路連接方式為：第一電壓采樣輸入單片機的PD2，第二電壓采樣輸入PD3，PWM信號輸出端口選擇PA3。經(jīng)過如此改進，如圖3所示模擬型電流PWM變?yōu)閿?shù)字型電流PWM調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括發(fā)送端系統(tǒng)軟件、接收端系統(tǒng)軟件。要求系統(tǒng)進行PWM調(diào)制的頻率遠遠高于100 Hz，否則會給人眼帶來不舒適感。系統(tǒng)程序按照功能單獨劃分模塊，分別寫出頭文件和c文件。主要的模塊有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、延時模塊、外部中斷模塊、OLED模塊、PWM模塊、nRF24L01模塊和串口通信模塊，這些模塊文件都作為驅(qū)動庫文件用文件夾打包存放，需要哪些功能將相應的文件加入工程。

發(fā)送程序按照圖4流程編寫。系統(tǒng)初始化主要包括系統(tǒng)時鐘選擇、端口設(shè)置、OLED初始化、nRF24L01初始化、外部中斷初始化、串口中斷初始化、nRF24L01模式設(shè)置。

圖4 發(fā)送流程

系統(tǒng)復位后時鐘自動使用內(nèi)部8分頻時鐘，系統(tǒng)采用手動切換方式使用到外部時鐘，并開啟安全時鐘系統(tǒng)。端口設(shè)置包括OLED、nRF24L01模塊的設(shè)置，其中OLED模塊的SCL、SDA端口都設(shè)置為輸出，所有輸出端口設(shè)置成推挽輸出，輸入端口設(shè)為上拉，這點一定要注意。nRF24L01的端口CSN、SCK、MOSI、CE設(shè)置輸出，MISO、IRQ設(shè)為輸入。OLED初始化將相關(guān)配置字寫入寄存器，由于該器件配置字過多就不介紹。nRF24L01初始化完成本機地址、接收機地址、工作頻率、允許接收通道、接收字長、發(fā)射功率的設(shè)置。系統(tǒng)的工作頻率為2.4 GHz，發(fā)射速率為2 MHz,發(fā)射功率為0 dB，接收長度為32字節(jié)。最后設(shè)置外部中斷和串口中斷初始化。最后設(shè)置nRF24L01模式，接收系統(tǒng)調(diào)用接收模式設(shè)置函數(shù)即完成系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)接收長度為32個字節(jié)，因此設(shè)計了如圖5格式的編碼方式。

圖5 傳輸數(shù)據(jù)編碼格式

地址編碼為0x00-0x05，由于這種通信方式最多的接收機數(shù)為6，因此將其進行編碼，如果接收機地址為編碼地址，就應答，這樣就可以避免通信中存在紊亂問題。第二項編為0x00-0x09，也可以用更多等級的編碼。校驗碼1、校驗碼2是采用自己算法分別對地址、等級進行重新編碼，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

接收程序流程如圖6所示，初始化模塊不同于發(fā)送端，主要有PWM設(shè)置、nRF24L01、數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)置。先進行PWM設(shè)置，它是對定時器的寄存器進行修改。第一步，將PA3口設(shè)置為推挽輸出，利用PA3的復用功能，在初始化時將其輸出設(shè)為定時器2的通道3，將定時器2的預分頻寄存器TIM2_PSCR賦值0x02，使得定時器2的時鐘為1 MHz。第二步，設(shè)置定時器2通道3的PWM參數(shù)，將捕獲/比較模式3的寄存器 TIM2_CCMR3設(shè)置為0x68，采用的是PWM1模式。第三步設(shè)置自動裝載值TIM2_ARRH、TIM2_ARRL，把它設(shè)置為1 000。第四步設(shè)置捕獲/比較寄存器的高、低位TIM2_CCR3H、TIM2_CCR3L。最后，設(shè)置TIM2_CCER2的第0位使PWM輸出使能，設(shè)置定時器控制寄存器TIM2_CR1的計數(shù)使能位。對nRF24L01的設(shè)置為接收模式，如果接收數(shù)據(jù)的地址編碼為本機地址時，開啟應答。

圖6 接收流程

當接收機接收到數(shù)據(jù)時，對接收的數(shù)據(jù)進行判斷是否為本機地址，是的則發(fā)送應答信號，并且計算接收數(shù)據(jù)是否存在錯誤。然后對當前兩路電壓信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換值和對應強度等級計算出TIM2_CCR3H、TIM2_CCR3L的值并設(shè)置之，PA3自動按照當前設(shè)置產(chǎn)生PWM信號而無需CPU參與。

數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)置的寄存器有：控制/狀態(tài)寄存器(ADC1_CSR)、配置寄存器ADC1_CR1、配置寄存器ADC1_CR2。分別用于選擇轉(zhuǎn)換通道、轉(zhuǎn)換模式、數(shù)據(jù)格式、開啟數(shù)模轉(zhuǎn)換。先將PD2、PD3設(shè)為浮空輸入；然后將ADC1_CSR的低四位，如果采樣第一電壓設(shè)為0011，第二電壓通道值為0100；再把ADC1_CR1的轉(zhuǎn)換模式為單次轉(zhuǎn)換；設(shè)置ADC1_CR2數(shù)據(jù)為右對齊；最后ADCON位設(shè)為1從而開啟轉(zhuǎn)換。查詢ADC1_CSR的EOC位，等待轉(zhuǎn)換完成從寄存器ADC1_DRH、ADC1_DRL的數(shù)據(jù)取出，根據(jù)強度等級計算出TIM2_CCR3H、TIM2_CCR3L。

5 測試結(jié)果

根據(jù)上述方案，設(shè)計、制作出了大功率LED無線調(diào)光系統(tǒng)，其具體實物如圖7所示。為降低成本將發(fā)送端、接收端的功能集中在一塊板上，盡管兩塊板子相似，但是程序不同、功能也不同。實驗參數(shù)如下：直流電源電壓9伏，PWM的調(diào)光頻率為1 MHz，負載為3顆1 W、350 mA大功率LED串聯(lián)組成的燈具。

圖7 系統(tǒng)實物

為了保證LED燈光強度在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，不至于產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象[1]，實驗設(shè)定10檔調(diào)光等級。測量時保證LED燈與測量儀器保持固定距離。每個檔次對應的輸出照度、單片機輸入的占空比如表2所示。測量照度時，采用TES1330A照度計，照度計與LED燈具距離為25 cm。最小照度為0lx，最大為497lx，滿足關(guān)閉LED燈的要求，同時從4級開始完全滿足辦公照明的目的，并且各輸出等級有一定梯度。在無線控制方面分別在10 m、20 m、50 m都能穿墻且無誤碼傳輸，最遠無誤差傳輸距離可到100 m測量結(jié)果說明系統(tǒng)達到了設(shè)計目的。

表2 實驗數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

設(shè)計了一個基于STM8S103F3P6單片機和nRF24L01無線調(diào)光系統(tǒng)，主機傳送數(shù)據(jù)控制分機調(diào)節(jié)LED燈輸出對應光強。用數(shù)字型電流PWM調(diào)制方式控制LED燈，并保持LED恒流驅(qū)動。設(shè)計的調(diào)光系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、解決了傳統(tǒng)燈具的布線復雜問題和傳統(tǒng)燈光不可調(diào)節(jié)的問題，使照明系統(tǒng)變得更加易于維護。若在此基礎(chǔ)上增加傳感器模塊，很容易轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芗揖釉O(shè)備。同樣，還可以推廣到工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的無線智能控制系統(tǒng)。但是，系統(tǒng)也有不足之處，如無線收發(fā)模塊nRF24L01的傳輸距離不夠遠，還有可在發(fā)送端添加光敏電阻測量環(huán)境照度模塊以達到自適應調(diào)光的目的，上述缺點可在后續(xù)研究中做進一步的改進。

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(編校 陳志敏)