基于ZibBee控制的高動態(tài)范圍LED模擬調(diào)光裝置設(shè)計

蔣曉波 韓 凱 沈海平 劉木清

(復(fù)旦大學光源與照明工程系，上海200433)

1 引言

由于發(fā)光二級管(LED)技術(shù)的不斷發(fā)展，LED由于其光效高，響應(yīng)速度快，亮度調(diào)節(jié)范圍廣，正逐步地應(yīng)用于信號，顯示，照明和機器視覺辨認等各種領(lǐng)域［1］。而常用的LED亮度控制方式主要是模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光(PWM)。比起現(xiàn)有的模擬調(diào)光，數(shù)字調(diào)光能取得一個更高的調(diào)光比和電流精度，應(yīng)用更為廣泛。在普通照明中，PWM調(diào)光的開關(guān)頻率一般在幾百到幾千赫茲之間，可以有效的避免人眼可見的閃爍。但在機器視覺辨認和工業(yè)檢驗等領(lǐng)域，由于使用的高速攝像機和傳感器響應(yīng)速度速度比人眼快很多，因此在這些領(lǐng)域使用PWM調(diào)光必須增加開關(guān)頻率到幾十千甚至更高，實現(xiàn)較為復(fù)雜，而模擬調(diào)光卻沒有這方面的問題。

本文通過可變降壓和線性調(diào)光的兩級電路實現(xiàn)了高效、準確、高動態(tài)范圍的模擬調(diào)光輸出，并使用TI的C2430芯片來實現(xiàn)輸出亮度調(diào)節(jié)和無線控制的功能，特別適合用于上述的機器視覺辨認等高響應(yīng)速率的應(yīng)用場合。

2 高動態(tài)范圍模擬調(diào)光電路

2.1 概述

常見的LED恒流電路有以下兩種:線性恒流電路和開關(guān)恒流電路［2］。線性恒流電路通過監(jiān)控采樣電阻上的電壓，動態(tài)地調(diào)節(jié)三極管的導(dǎo)通程度，控制電流，并將輸入電壓高于LED串電壓的部分承擔。而開關(guān)恒流電路則在其不同拓撲結(jié)構(gòu)下，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通的占空比來調(diào)節(jié)輸出，同樣得到恒流的效果。相比而言，如果輸入電壓和燈串電壓差別較大時，在大電流下線性電路三極管的壓降會造成較大的功率損耗，導(dǎo)致較低的效率。

圖1 線性恒流電路

圖2 開關(guān)恒流電路

2.2 具體電路設(shè)計

現(xiàn)有的開關(guān)電源控制芯片也有提供模擬調(diào)光功能，但是調(diào)光比都很小，一般在幾十左右，是作為PWM調(diào)光的一個補充，這個調(diào)光比和前述機器視覺辨認的要求差距較大。針對上述情況，本文重新對線性恒流電路進行了改進，在這部分電路前增加了可變降壓電路，用于匹配輸入電壓和LED燈串電壓，提高效率;同時使用高精度的D/A來控制電流輸出，得到一個較高的模擬調(diào)光比。整個電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，在AC/DC電源的輸出總線上可以掛載多于一路的可調(diào)恒流電路，通過ZigBee模塊進行輸出電流控制，保證每一路輸出的電流準確，可調(diào)。

圖3 電路結(jié)構(gòu)示意圖

可變降壓電路的輸入使用AC/DC電源提供的48V總線，這部分電路根據(jù)后接的LED顆數(shù)多少和輸出電流大小，動態(tài)調(diào)節(jié)輸出，使其輸出電壓和LED燈串電壓的差額保持較小的水平，從而減小大電流下三極管的損耗。這里本文使用National Sem iconductor公司的LM5010降壓芯片來搭建可變降壓電路［3］，原理圖見圖4:

圖4 使用LM5010搭建的可變降壓電路

LM5010是一個恒定導(dǎo)通時間的Buck控制芯片。R1和R2組成電壓反饋電路，將輸出電壓進行分壓后輸入至FB腳上。每當FB腳上電壓低于2.5V時，芯片內(nèi)部的開關(guān)會固定的導(dǎo)通一段時間，導(dǎo)通時間與輸入電壓和Ron有關(guān)，之后開關(guān)會關(guān)斷265ns或直至FB腳上電壓下降到2.5V以下。電路通過(R1+R2)/R2·VFB來設(shè)定最大輸出電壓。另一方面，為了降低在三極管的功率損耗，我們同時監(jiān)測采集三極管和采樣電阻的壓降和，并使用LM358進行正向放大后通過D2輸入到FB腳上。因此在三極管和采樣電阻上的壓降總和就不會大于Vdrop=(VFB+VD2)×R3/(R3+R4)。因此當LED

燈串上的電壓小于LM5010的最大輸出電壓時，多余的電壓就會由三極管和采樣電阻承擔，當這個電壓經(jīng)過放大后大于FB腳的閾值時，LM5010延長開關(guān)關(guān)斷時間，使輸出電壓下降，因此最終的Vout=Vled+Vdrop。從而在LED顆數(shù)比設(shè)計值少或者在對LED進行調(diào)光時，前端輸出的電壓能夠更合理的匹配燈串電壓，具體見表1和表2。

表1 輸出500m A下不同LED顆數(shù)的可變降壓電路輸出和LED燈串電壓比較

表2 13顆LED在不同輸出電流下的可變降壓電路輸出和LED燈串電壓比較

圖4中三極管的基極旁邊的方塊便是電流控制電路，具體結(jié)構(gòu)見下圖5。電流主要是通過Analog Device的AD5611來控制［4］，這是一款10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，使用基準電源的輸出直接供電，上位機CC2430可以使用SPI接口進行輸出電壓的編程。芯片的輸出和采樣電阻上的電壓分別接到LM358的5和6腳，運放作為開環(huán)放大器來使用。放大器將兩個輸入的偏差進行放大來控制三極管導(dǎo)通程度，進而控制LED串的電流，并最終使開環(huán)輸入的兩個電壓相等，此時滿足下式:Rsen×ILED=VA/D·R6/(R5+R6)。電路中的R5和R6主要是將A/D轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行分壓，以便能使用更小的采樣電阻，提高效率?？紤]到D/A芯片的位數(shù)和整體的精度，本文中的線性電流控制電路能做到500∶1的輸出電流比。

圖5 利用AD5611搭建的模擬調(diào)光電路

3 ZigBee控制及監(jiān)測

3.1 硬件設(shè)計

無線通信控制模塊使用的是Texas Instruments的CC2430-F128芯片，這款芯片專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用。芯片內(nèi)部結(jié)合了一個CC2420無線電內(nèi)核，增強的8051MCU，128KB的系統(tǒng)可編程閃存，8KB的SRAM，8路8～14位的ADC，4個定時器，2個串行通信接口模塊，AES協(xié)同處理器，看門狗定時器，上電復(fù)位電路，掉電檢測電路和21個通用IO口［5］，如圖6所示。

圖6 CC2430芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

如圖3所示，CC2430芯片通過AC/DC電源供電，并承擔著輸出電流控制和電路狀態(tài)監(jiān)測的功能。供電時通過maxim的max5033開關(guān)芯片降為5V，再由TPS79533降為穩(wěn)定的3.3V進行供電。電流控制是通過SPI接口和前述的AD5611進行通訊，根據(jù)期望的輸出電流值來相應(yīng)調(diào)節(jié)D/A的輸出電壓。需要注意的是，在輸出電流很低的時候，會出現(xiàn)輸入AD5611的數(shù)字值和最后輸出的電流值不成線性比例的情況，這是由于此時D/A輸出電壓過小，受到D/A轉(zhuǎn)換誤差、線路壓降等影響較大，需在程序中進行修正。

而監(jiān)控電路見圖7，本文中，芯片通過兩路ADC分別對AC/DC的輸出電壓和輸出電流進行監(jiān)控。電壓的監(jiān)控是通過R11和R12電阻進行分壓，之后又P0.7腳進行采樣。電流的監(jiān)控是通過MAX4080芯片，這是一塊固定增益的高端電流探測芯片，可以直接在高壓端取電，假設(shè)增益為A，那么P0.6腳進行ADC轉(zhuǎn)換得到的電壓和監(jiān)控的電流之間的關(guān)系見下式:

通過內(nèi)部程序的轉(zhuǎn)換就可得到實際的電流。同時本文在AC/DC電路和后端的恒流驅(qū)動電路之間加入了一個繼電器U2，由CC2430的P0.5腳進行開關(guān)控制，可以在必要的時候切斷恒流部分的供電。

圖7 電壓、電流監(jiān)控的電路圖

3.2 軟件設(shè)計

本文設(shè)計的裝置主要分布在距離主控制器不同距離的幾個位置，每個位置各有不同數(shù)量的裝置，由于每個位置處的裝置都相距不遠，裝置之間也沒有信息交互，因此就直接采用星狀的網(wǎng)絡(luò)拓撲［6］。拓撲結(jié)構(gòu)見圖8，位于整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心的是ZigBee無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)起著與主控制計算機通信和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功能。而本文所述的調(diào)光裝置則是作為ZigBee終端節(jié)點，終端節(jié)點負責接收無線網(wǎng)關(guān)的調(diào)光和查詢指令，作出相應(yīng)的調(diào)光和狀態(tài)反饋。

調(diào)光裝置內(nèi)部的終端節(jié)點工作流程如下:終端節(jié)點首先等待無線網(wǎng)關(guān)建立網(wǎng)絡(luò)，之后申請加入該個域網(wǎng)，等待協(xié)調(diào)器分配16位的短地址，申請通過之后進入綁定流程，將終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器進行綁定［7］。由于每次網(wǎng)絡(luò)啟動分配的短地址具有隨機性，因此在設(shè)備內(nèi)部另外固化了個體識別地址，用于表示所處的地域和序號。之后終端節(jié)點進入等待狀態(tài)，并定時監(jiān)控自身的電壓電流參數(shù)，并將可能出現(xiàn)的異常上報。當主控計算機想要對單個終端節(jié)點調(diào)光時，就會對特定的ZigBee無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送命令數(shù)據(jù)包，包含有調(diào)光類型，ZigBee個體識別地址和調(diào)光數(shù)值，之后特定的終端節(jié)點便能接收到無線網(wǎng)關(guān)通過協(xié)調(diào)器傳達的命令數(shù)據(jù)，通過SPI接口向A/D轉(zhuǎn)換器傳達，最終調(diào)節(jié)電流到特定的值。

圖8 調(diào)光系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

4 總結(jié)

針對某些應(yīng)用高速傳感器的需要調(diào)光的場合，本文對LED線性驅(qū)動電路進行了重新設(shè)計，加入了可變降壓電路，提高了線性驅(qū)動電路的效率，并實現(xiàn)了500∶1的模擬調(diào)光。同時使用ZigBee芯片實現(xiàn)調(diào)光，狀態(tài)監(jiān)測和無線控制，作為節(jié)點給遠程監(jiān)控提供了有力的支持。

［1］唐向陽，張勇，李江有等.機器視覺關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用展望［J］.昆明理工大學學報(理工版)，2004，29(2):36～39.

［2］張祥東，閻麗永，夏偉等.HB-LED驅(qū)動方法綜述上［J］.中國照明電器，2009，12:17～19.

［3］LM 5010 Datasheet［EB/OL］http://www.national.com.

［4］AD5611 Datasheet［EB/OL］http://www.analog.com.

［5］CC2430 Datasheet［EB/OL］http://www.ti.com.

［6］瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京.北京航空航天大學出版社.2007.9

［7］ZigBee Alliance.ZigBee Specification 1.0［EB/OL］.http://www.zigbee.org.