基于FPGA的智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

林柏林

(湖北第二師范學(xué)院機(jī)電系,湖北 武漢 430205)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,人們對照明燈具節(jié)能和科學(xué)管理提出了更高的要求,照明控制在智能化領(lǐng)域的地位越來越重要.

現(xiàn)場可編程門陣列[1](FPGA,field programmable gate array)器件隨著超大規(guī)模集成電路(VISI)技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn).FPGA器件具有集成度高、體積小的特點(diǎn),用戶可通過編程實(shí)現(xiàn)專有功能.FPGA設(shè)計(jì)者充分使用計(jì)算機(jī)的開發(fā)平臺,大大縮短系統(tǒng)的研制周期,減少資金投入.更為重要的是采用FPGA器件可以將原來的電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品,從而降低了功耗,提高了可靠性,同時(shí)還可以很方便地對設(shè)計(jì)進(jìn)行在線修改.隨著FPGA在結(jié)構(gòu)、密度、功能、速度和靈活性方面的提高,性能將進(jìn)一步完善,成本將逐漸下降,將在電子線路設(shè)計(jì)中發(fā)揮更為重要的作用.

近年來,在上海、北京等地開始出現(xiàn)了專業(yè)的數(shù)字化家居集成商,同時(shí)大型的家居數(shù)字化體驗(yàn)館也開始出現(xiàn),如上海市電信大樓的家居體驗(yàn)館、上海永樂數(shù)字生活體驗(yàn)館、青島海爾(企業(yè)博客|視頻|)數(shù)字生活體驗(yàn)館等.數(shù)字化家居作為人類通信、網(wǎng)絡(luò)、建材、安防、家居等行業(yè)發(fā)展的集大成,受到社會極大的關(guān)注.

1 設(shè)計(jì)思想與總體方案

1.1主控制器方案論證目前使用的控制芯片中主要是FPGA和單片機(jī)[2]兩種,FPGA的優(yōu)勢在于速度快、系統(tǒng)資源豐富、應(yīng)用靈活等.在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,FPGA集成鎖相環(huán)可把外部時(shí)鐘倍頻,核心頻率可以到幾百兆,而單片機(jī)運(yùn)行速度則低得多.所以,對于輸出信號頻率要求較高的場合,單片機(jī)無法代替FPGA.且單片機(jī)I/O口有限,而FPGA具有數(shù)百I/O引腳,可以方便連接外設(shè).在程序運(yùn)行中,單片機(jī)是串行執(zhí)行的,遇到突發(fā)事件時(shí)只能調(diào)用有限的中斷資源,而FPGA是內(nèi)部程序并行運(yùn)行,FPGA不同邏輯可并行執(zhí)行,同時(shí)處理不同任務(wù).兩者比較,FPGA效率更高.本系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)硬件主控制器選用FPGA作為智能照明控制系統(tǒng)的核心控制芯片.

圖1 系統(tǒng)框架圖

鍵盤輸入模塊中,通過鍵盤控制系統(tǒng)的功能切換和照明燈具的調(diào)光或開關(guān).在傳感器模塊中,系統(tǒng)可以通過檢測聲音、光強(qiáng)來控制LED的亮和滅.這些功能的實(shí)現(xiàn)首先由FPGA控制器產(chǎn)生可調(diào)的PWM信號調(diào)節(jié)LED的功率,達(dá)到調(diào)光效果,而PWM信號需要通過大功率LED驅(qū)動電路的放大才能使LED燈具實(shí)現(xiàn)正常照明.圖1是系統(tǒng)的框架圖.

1.2照明燈具的選擇本系統(tǒng)主要的用途是提供照明,所以選擇發(fā)光的照明燈具十分重要.照明燈具既要求節(jié)能環(huán)保,又能提供優(yōu)質(zhì)的燈光[3].通過查閱相關(guān)資料,目前市場上使用最廣的幾種照明燈的對比如表1所示.

表1 常用50 000 h相同光通量燈具數(shù)據(jù)對比

由表1明顯看出3種照明燈具的優(yōu)缺點(diǎn),因此選擇LED日光燈作為智能照明系統(tǒng)的照明燈具.

2 系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)

2.1FPGA的PWM輸出模塊脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse-Width Modulating)[4],即調(diào)節(jié)脈沖的占空比.當(dāng)輸出的脈沖頻率一定時(shí),輸出脈沖的占空比越大,相當(dāng)于輸出的有效電平越大,簡單地實(shí)現(xiàn)了由FPGA控制模擬量.PWM調(diào)光使負(fù)載LED時(shí)亮?xí)r暗,當(dāng)亮暗的頻率超過100 Hz,人眼對亮度閃爍不夠敏感,人眼看到的就是平均亮度.

PWM原理是以一固定直流電壓經(jīng)過以一定頻率打開、閉合開關(guān)K,控制改變LED上的電壓,進(jìn)而改變LED的亮度.

圖2 單路PWM原理圖

PWM波形通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成,其占空比與信號的瞬時(shí)采樣值成比例.圖2是實(shí)現(xiàn)單路PWM硬件結(jié)構(gòu)框圖.CPU通過數(shù)據(jù)線向FPGA寫入定時(shí)常數(shù),控制PWM的頻率、初始相位和占空比,并通過外部啟動信號控制PWM的啟動.

由于FPGA輸出的PWM信號不能直接驅(qū)動LED,所以一般采用驅(qū)動電路來驅(qū)動LED指示燈[5].

2.2FPGA的無線遙控模塊電氣裝置的遙控器發(fā)射頻率為38 kHz的間歇紅外線[6],需要一個(gè)脈沖調(diào)制信號.對于待發(fā)射的碼序列中的‘1’信號,脈沖調(diào)制信號的脈寬為4個(gè)時(shí)鐘周期,占空比為1/8;對于‘0’信號,脈沖調(diào)制信號的脈寬為2個(gè)時(shí)鐘周期,占空比為1/4.遙控裝置上共有1～10的十個(gè)數(shù)字按紐,每按一個(gè)按鈕將產(chǎn)生一個(gè)該數(shù)字的四位二進(jìn)制數(shù)調(diào)制序列輸出.這里比特1調(diào)制為10 000 000,比特0調(diào)制為1 000,其中調(diào)制碼中的1和0均各占半個(gè)時(shí)鐘周期.為了便于譯碼,空閑時(shí)發(fā)送的全是1.實(shí)現(xiàn)了唯一譯碼,不會給解碼端帶來困擾.

2.3FPGA的傳感器檢測模塊傳感器檢測是應(yīng)用不同功能的傳感器[7]檢測被測對象的狀態(tài),并且對檢測的信息處理,再傳輸給處理器進(jìn)行處理.在智能照明系統(tǒng)中的傳感器應(yīng)用主要有聲音的檢測,光強(qiáng)的檢測,人體熱能的檢測.

聲控電路由拾音電路,兩級放大電路和遲滯比較器構(gòu)成.拾音電路中的信息采集器為駐極體話筒,駐極體話筒屬于電容式話筒,聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動膜.當(dāng)聲波輸入時(shí),駐極體膜片隨聲波的強(qiáng)弱而振動,使電容極板間的距離發(fā)生變化,引起電容量C發(fā)生變化,因?yàn)轳v極體兩側(cè)的電荷未變,因此電容兩端的電壓(UC=Q/C)發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)了聲電轉(zhuǎn)換.由于振動引起的輸出電壓的變化量較小,所以需要在電容的后面加一個(gè)效應(yīng)管進(jìn)行放大,提高話筒的靈敏度,同時(shí)場效應(yīng)管還可以與音頻放大器匹配.駐極體話筒的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示.

如圖4所示為拾音電路,主要功能是用壓片陶瓷檢測聲音的振動,輸出電壓信號.

圖3 駐極體話筒的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 拾音電路

拾音電路由小型麥克和限流電阻[8]組成,5V電源提供驅(qū)動電流,兩級放大電路由兩級共射單管放大組成,前級是NPN管,后級是PNP管.

聲控電路的過程是:由拾音電路將聲音轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號,微弱的電壓信號經(jīng)過兩級放大成伏級的電壓,電壓通過遲滯比較器轉(zhuǎn)變成FPGA能識別的方波信號,經(jīng)過雙向穩(wěn)壓管變成方波,然后傳給FPGA進(jìn)行處理.聲控電路如圖5所示.

照明系統(tǒng)中檢測光強(qiáng),根據(jù)光的強(qiáng)弱控制照明燈具的亮度從而達(dá)到智能和節(jié)能的效果.本文中利用光敏電阻的感光性完成對光強(qiáng)的檢測,通過光強(qiáng)變化時(shí)光敏電阻的阻值發(fā)生的變化產(chǎn)生的電壓的變化.照明系統(tǒng)由光敏電阻,滑動變阻器,電阻,NPN三極管及運(yùn)算放大器LM358組成.

2.4FPGA的鍵盤輸入模塊鍵盤是系統(tǒng)的主要的輸入部分,鍵盤輸入具有控制LED燈具的開光狀態(tài),調(diào)節(jié)明亮程度,設(shè)定修改數(shù)據(jù)等功能.本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的命令輸入模塊是鍵盤電路和時(shí)鐘電路[9],通過以按鍵的方式向FPGA控制系統(tǒng)表達(dá)人的命令,實(shí)現(xiàn)人機(jī)互換.

鍵盤電路有兩種類型,其中一種是獨(dú)立式鍵盤電路.獨(dú)立式鍵盤電路結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,目前應(yīng)用非常普遍.但這種鍵盤電路的每個(gè)按鍵都要占用一根I/O口線,隨著按鍵的增加將使I/O口線不足.另一種鍵盤電路是矩陣式鍵盤電路,電路的按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點(diǎn)上,因此在有限的I/O口線上可以設(shè)置比較多的按鍵.但這種鍵盤電路結(jié)構(gòu)、編程都比較復(fù)雜.如圖6所示,本系統(tǒng)中采用8鍵獨(dú)立式鍵盤電路與一個(gè)與非門電路構(gòu)成帶中斷的鍵盤電路,電路上的每個(gè)按鍵均可以單獨(dú)工作,且響應(yīng)時(shí)間快.

2.5大功率LED驅(qū)動電路驅(qū)動單顆LED或一長串串聯(lián)的LED[10],對小電流等級比如20 mA的LED比較容易,但對電流等級高達(dá)350 mA、700 mA、1 A或者更高的LED,驅(qū)動起來有困難.當(dāng)然,若對功率消耗沒有限制,可以采用簡單的現(xiàn)行驅(qū)動電源的形式,若對電流的控制要求不高,采用直接串聯(lián)電阻的方法也是可行的.然而,在大多數(shù)場合,使用的還是高效的開關(guān)驅(qū)動電源.當(dāng)LED燈串的導(dǎo)通電壓高于供電電壓時(shí),或當(dāng)供電電壓大范圍變動時(shí),必須使用開關(guān)驅(qū)動電源.

圖5 聲控電路

圖6 8鍵獨(dú)立式鍵盤電路

2.6電源電路在各種電子設(shè)備中,直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分,它是電子設(shè)備唯一的能量來源.本設(shè)計(jì)中有兩種電源接口,一路采用220 V的變壓器直接供電,經(jīng)過整流濾波最后得到5 V電壓給電路供電使用;一路采用USB接口從電腦上供電.工作時(shí),采用其中的一種電路供電即可.電源電路的具體電路圖如圖7所示.

3 仿真與實(shí)現(xiàn)

3.1FPGA的PWM輸出模塊仿真設(shè)置產(chǎn)生的PWM信號的占空比分為16級可調(diào),完成程序后通過Quartus Ⅱ的時(shí)序仿真得到仿真波形,如圖8所示.

仿真結(jié)果分析表明:PWM信號輸出信號可以實(shí)現(xiàn)從0至15的16個(gè)不同級別的占空比可調(diào).最高可達(dá)到100%,因此成功實(shí)現(xiàn)了PWM信號的輸出.

圖7 電源電路

圖8 PWM信號波形

3.2FPGA的無線遙控模塊仿真仿真時(shí)依次輸入1至10,并在一個(gè)有效信號輸入后,于一個(gè)時(shí)鐘后置成非有效信號.此處設(shè)置非有效信號是:10′b11_1111_1110,也可以是別的值.仿真結(jié)果如圖9所示.

圖9 調(diào)制信號解碼的時(shí)序仿真圖

3.3FPGA的傳感器檢測模塊仿真運(yùn)用proteus的電路仿真功能,對聲控電路進(jìn)行仿真,拾音電路的輸出使用正弦波代替,得到的仿真波形如圖10所示.

由聲控電路的輸出仿真可以看出,通過拾音電路得到的正弦波信號經(jīng)過兩級放大成伏級的電壓,電壓通過遲滯比較器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號中的方波信號,因此聲控電路的功能成功完成.

3.4FPGA的鍵盤輸入模塊仿真設(shè)計(jì)8鍵獨(dú)立式鍵盤操作便捷,功能齊全,且能夠完成對照明系統(tǒng)的控制,8鍵獨(dú)立式鍵盤的按鍵信息讀取的時(shí)序仿真如圖11所示.

圖10 聲控電路的輸出仿真

圖11 8鍵獨(dú)立式鍵盤的按鍵信息讀取

仿真結(jié)果分析表明:由于鍵盤電路的設(shè)計(jì),按鍵時(shí)鍵盤電路送入的是低電平,所以通過仿真時(shí)序圖顯示的輸入和輸出是相反的電平輸出,因此能夠正確讀取8個(gè)按鍵的信息.

4 結(jié)束語

基于FPGA作為控制系統(tǒng)的核心控制芯片,升級改造節(jié)能照明智能控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從簡單控制的粗放式管理向回路調(diào)壓、單燈控制的精細(xì)化管理轉(zhuǎn)換,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理各種照明系統(tǒng),使之高效穩(wěn)定安全運(yùn)行,有效減少電能消耗.經(jīng)過對系統(tǒng)級的仿真分析,本系統(tǒng)達(dá)到了較好的效果,其運(yùn)行穩(wěn)定,定位準(zhǔn)確,達(dá)到了照明燈具節(jié)能和科學(xué)管理的要求.

[1] 段吉海.基于CPLD/FPGA的數(shù)字通信系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2] 鄒彥,莊嚴(yán).EDA技術(shù)與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[3] 周志敏,紀(jì)愛華.LED照明技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2009.

[4] 李建林.基于現(xiàn)場可編程門陣列的多路PWM波形發(fā)生器[J].電子工程師,2002,28(4):9-10.

[5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2005.

[6] 方宏.自學(xué)習(xí)紅外遙控器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)與設(shè)備,2003,(4):32-34.

[7] 何勇.光電傳感器及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[8] 邱關(guān)源,羅先覺.電路[M].北京:高等教育出版社,2006.

[9] 戴伏生.基礎(chǔ)電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[10] 何占偉,趙智霞.大功率LED照明橫流驅(qū)動的設(shè)計(jì)[EB/OL].http://www.2lic.com.