從”芯”設計LED燈具控制系統——同步DMX512控制芯片的開發

　隨著LED的功率和亮度不斷增加，價格持續下降，LED在燈光照明領域的應用越來越普遍普及。但是就目前的亮度和價格而言，LED要替代白枳燈還有很長的路要走，現在LED在照明領域的優勢在于它們色彩可變，純正和高可靠性。因此，娛樂場所，商業展示，城市景觀照明將是LED在照明領域的主要應用。

　　1、LED常用的控制方法

　　LED照明燈具的控制技術是提升LED燈具應用水平的關鍵所在，目前，LED燈具的控制方式主要有下列幾種方法：

　　獨立控制方法---在每個LED燈具中使用一個低價格單片機或者專用控制芯片。產生一系列顏色變換，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過零點同步。這種產品的特點是比較簡單，燈頭，燈座等與傳統燈具兼容，能大批量生產和出口。但是，它們的缺點是無法實現追逐，逐斷變化燈復雜的燈光變化，更不能根據應用的需要設計出整體的燈光方案。因此只能應用于局部簡單的場合。

　　聯線控制方法----LED燈具與控制器相連，控制器通過DMX512聯成網絡，實現對LED燈具的控制。另一種聯線控制方法是在每一個燈管中含有一個低價格單片機，它們通過RS485連線控制，也有使用移位寄存器(SPI總線)來傳送LED控制信號。

　　2、我們在LED燈具控制器方面作的探索

　　我們在設計LED燈具控制器時，主要開發聯線控制的技術，先后開發了DALI接口，DMX512，移位寄存器等各種方案的產品。本文分析各種方法的優缺點，并提出了一種我們認為最好的方案，并開發了相應的燈光控制芯片。這項工作我們共化了兩年的時間。

　　DMX512控制器方案

　　DMX512是傳統的舞臺燈光控制協議，由美國劇場技術協會（United State Institutefor Theatre Technology，Inc）于1986年8月提出的一個能在一對線上傳送512路可控硅調光亮度信息的標準。

　　DMX512通信方式是采用了異步通信格式，每個調光點由11位組成，其中一個是起始位，8位調光數據，兩個停止位。每一次傳輸能512個調光點。

　　DMX512現在是最流行的控制方法，一般是將電源和控制器設計在一起。由DMX512控制器控制8～24線。直接驅動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。很多場合甚至無法施工。

　　DMX512的接收器要設置地址，讓它能接收那幾個調光數據，這在實際應用中不方便。

　　多個控制器互聯來控制復雜的照明方案，軟件比較復雜。DMX512比較適合燈具集中在一起的場合，如舞臺燈光。

　　DALI總線方案

　　DALI是歐洲提出來的一種燈光控制總線方案，在DALI系統中，每個燈具有一個地址，并有一組控制命令。可尋址范圍是144個燈，并能實現群控的能力，在將DALI應用到LED燈具控制過程中，我們擴展了LED控制命令：

　　LAMPADDR，START，END，HOLD，FADE

　　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燈具結束的顏色。

　　HOLD是保持的時間。

　　FADE是漸變的時間。

　　每個LED燈具中使用一顆Micro ship PIC16f628CPU完成了DALI數據的接收和DALI命令的控制。

　　在該控制系統的開發過程中，我們發現，沒有一種方法能讓燈光工程商方便地來設計燈光變化的方案，而市場上流行的做法是在工程公司接到一個光亮工程后，提出燈光變化的要求，讓控制器的設計人員編寫相應的單片機軟件，盡管很簡單，又是重復勞動，但是必竟要化時間，協調起來也很困難。燈光工程商在找控制器上要化很多的精力。這樣做的結果是不便于產業化分工，往往是燈具制造廠要直接介入燈光工程。成本很高。

　　為此我們設計了L40燈光控制語言和模擬軟件。L40語言類似于計算機匯編語言，由控制器解釋執行。

　　另一方面，對于在每個燈具中燒一個地址，工程安裝時非常不便，為此，我們改用了RS485接口，采用了級聯的方法，通過軟件協議來自動識別地址解決了這個問題。

在這種控制器的使用過程中，我們發現，仍然存在兩個問題，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，在燈多的時候，仍然不夠理想，另一方面，要外地的工程商來學習L40語言，需要培訓和人力，往往工程商找不到這樣的人員。

　　SPI移位總線方案

　　在開發DALI控制器的同時，我們也開發基于SPI移位寄存器的方法來控制LED燈具，基于SPI移位寄存器的LED驅動器芯片一般是為LED顯示屏開發的。有單色的，也有可控制灰色的。東芝，TI，臺灣和大陸很多公司開發了這一類芯片。我們認為，采用這一類芯片的控制器有如下幾個優點：

　　它們是基于像素的控制方法，我們能夠將PC屏幕上的圖像直接轉換成LED的像素的色彩。這樣一來，用戶能夠用PC上的軟件直接設計燈光方案，典型的方法是采用flash軟件，或者用mediaplay的可視化效果產生圖案，使LED燈光的變換大大增強了。采用了級聯的方法，變化速率很快。

　　但是這種方法的問題于，數據量比較大，燈與燈之間的線比較多（五根線）。軟件難度大，對控制器的CPU能力要求高。市面上產品一般是在PC上加一個插卡，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驅動芯片來驅動多個LED燈具。

　　由于目前市面上的LED驅動芯片主要是為LED顯示屏設計的。在LED顯示屏上，LED的密度很大，所以，為顯示屏設計的LED驅動芯片是多路的，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顯示屏驅動芯片來構成集中式的LED像素燈，要從LED控制器引出NX4根（R，G，B，GND)，一個8X8的板要引出256根線，做出來的產品，背面全是線，非常的不可靠。

　　LED顯示屏的LED驅動電路一般使用了A/D轉換的方法來控制LED的恒流源驅動，因此，它們的驅動電流不大，一般為2~50mA電流。如TOSHIBATB62727芯片。對于LED燈具來講，有時就不夠了。

　　現在有幾家公司推出了單點RGB驅動芯片，但是比較貴。

　　另一方面，SPI使用三根線來控制數據的快速移位。對于LED燈具來講，一個燈具上使用一進一出共要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、問題驅動我們從”芯”設計LED燈具控制芯片

　　在完成了各種LED燈具控制器和燈具產品的開發之后，我們對LED燈具及控制技術有了全新的認識。

　　我們體會到，一個理想的LED燈具控制器芯片因具有如下特點：

　　1.使用簡單，靈活。不要編程，普通人會用。

　　2.接線簡單，越少越好。

　　3.能適應LED快速發展的需要。

　　4.成本低廉

　　這樣的燈具能達到：

　　制造與光亮工程分離；完成專業化分工；產品便于出口；推進產品標準化。

　　為了達到這一理想的境界，我們決定從自行開發LED燈具芯片開始進入全新的開發工作。

　　總體方案

　　芯片采用了DMX512傳輸的幀結構。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。

　　與傳統的DMX512接收器相比，同步DMX512具有如下優點：

　　能采用移位方式傳輸調光數據，不需要設置地址。

　　傳輸的速度快。因為沒有停止位和起始位。

　　保留了DMX512單線級聯方式，硬件接口可以仍然使用RS485。

　　與傳統的SPI接口相比，引出/引入線少。

　　SynchronizesDMX512CHIP

　　產品系列

　　SDMX5124---同步DMX512芯片，含三路4位PWM調光電路

　　SDMX5128---同步DMX512芯片，含三路8位PWM調光電路

　　SDMX51248---同步DMX512芯片，含八路4位PWM調光電路

　　SDMX51288---同步DMX512芯片，含八路4位PWM調光電路

　　特點：

　　·同步DMX512總線，使用一根線實現控制數據的移位和置入，速率達192 KBPS。這樣，燈與燈之間的聯線只要三根線了（+24V，DATA，GND）。能采用普通的防水結頭。