LED舞臺照明燈嵌入式控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

韋麗花，唐露新，張強武，蔣偉楷

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州市浩洋電子有限公司，廣東 廣州 511450)

LED舞臺照明燈嵌入式控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

韋麗花1，唐露新1，張強武1，蔣偉楷2

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州市浩洋電子有限公司，廣東 廣州 511450)

LED舞臺燈具作為LED光源一種高端應(yīng)用領(lǐng)域，具有長壽命和色彩快速獨立調(diào)整等優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣.為了不斷提高LED搖頭舞臺燈產(chǎn)品性能和可靠性，采用32位的嵌入式STM32F103芯片控制，代替原來的3片8位單片機，大大簡化電路和程序，使軟件性能大大提高.并對系統(tǒng)整體電路、運動控制方式、調(diào)光方式和溫度保護等進行優(yōu)化設(shè)計和實驗，使燈具具有更好的整體性能、功能和可靠性，提高運動控制的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及獲得近似無級四色光源的連續(xù)調(diào)光.已應(yīng)用于多款LED舞臺燈產(chǎn)品中，效果良好.

LED舞臺燈具; 嵌入式; 步進電機驅(qū)動; PWM調(diào)光

隨著文化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，舞臺燈應(yīng)用越來越廣泛.相對傳統(tǒng)舞臺燈具，現(xiàn)代舞臺燈成為一種含光學(xué)、機械、電子、電氣以及計算機控制等多學(xué)科交叉技術(shù)的設(shè)備[1]；另一方面，伴隨鹵鎢燈、金鹵燈等離子體光源和LED光源等舞臺燈具產(chǎn)品的問世，舞臺燈在節(jié)能、色彩、體積和壽命等性能方面也得到顯著提高.其中LED憑借其節(jié)能高效、響應(yīng)時間快、性能穩(wěn)定、壽命長、顯色性良好等優(yōu)點[2]，成為舞臺燈一種良好選擇.目前流行的LED舞臺燈采用四色單獨控制，能根據(jù)場地和節(jié)目要求，形成快速的光效組合變化，以達到完美的燈光氣氛效果[3].在廣州亞運會、倫敦奧運會和節(jié)假日演出等大型舞臺會場的LED燈光應(yīng)用效果令人印象深刻，使其在現(xiàn)代舞臺照明中占有一席之地.

與此同時，舞臺燈的功能和性能要求也越來越高，尤其是對速度、可靠性、穩(wěn)定性和性價比等要求.以往的舞臺燈控制系統(tǒng)采用8位CPU的單片機，指令執(zhí)行速度低，運行速度慢，片上資源有限，時鐘系統(tǒng)不能夠選擇和進行分頻處理，需采用多片單片機完成相應(yīng)顯示調(diào)光和運動控制等功能，無法進行復(fù)雜運動控制場合的實時數(shù)據(jù)運算等[4].因此，難以滿足舞臺燈控制系統(tǒng)日益增加的功能性、復(fù)雜性和實時控制的要求.隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的發(fā)展，32位嵌入式控制系統(tǒng)以其體積小、速度快、功能強、價格不斷下降等特點，已在工業(yè)控制、消費電子、醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5].美國TI公司生產(chǎn)的STM32F103系列單片機，具有32位的CPU，有強大的處理能力，有11路定時器，6路PWM輸出，多達112個快速I/O端口，豐富的片內(nèi)外設(shè)接口和方便靈活的開發(fā)手段[6].

為了進一步提高LED搖頭燈舞臺燈產(chǎn)品性能和可靠性，采用32位的嵌入式STM32F103芯片控制，簡化電路，對系統(tǒng)整體電路、運動控制方式、調(diào)光方式和溫度保護等進行優(yōu)化設(shè)計及實驗，提高燈具的控制性能、功能和可靠性.而且延長燈具壽命，提高控制精度，靈活實現(xiàn)各種燈光效果.

1 系統(tǒng)整體控制

LED舞臺燈具控制系統(tǒng)主要控制兩軸的燈頭旋轉(zhuǎn)運動、四色LED調(diào)光和聯(lián)網(wǎng)控制.原系統(tǒng)采用3片8位AVR單片機，第1片用于參數(shù)輸入和顯示、溫度保護及聯(lián)網(wǎng)通信等；第2片控制紅綠藍白四路LED驅(qū)動；最后一片控制水平、垂直運動步進電機及風(fēng)扇電機.3個CPU相互通信和協(xié)調(diào)控制.3個8位單片機的組成方式，硬件較復(fù)雜,數(shù)據(jù)要相互交換和通信，降低可靠性、延長工作時間.另外由于采用8位運算，無法實現(xiàn)更加高速運算以達到更好的運動效果.現(xiàn)采用1片以STM32F103單片機為核心的微處理控制系統(tǒng)，該單片機為32位處理器，主頻達74 MHz，帶有高級定時器、編碼器接口電路、ADC轉(zhuǎn)換電路等功能[7]，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 優(yōu)化后舞臺燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1片CPU取代原來3片AVR單片機，大大減小外部電路和軟件的復(fù)雜性，CPU通過RDM協(xié)議和控制臺通信，使聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更加實時快速、控制燈具節(jié)點容量更大[8]；軟件功能更加強大，控制方便精確，可以進行快速運算，便于采用S型加減速和細分動作控制驅(qū)動水平、垂直步進電機[9]；CPU控制更加多級的PWM調(diào)光信號，精確控制LED發(fā)光亮度，并增加多個熱敏電阻檢測LED溫度，更加安全保護燈具.優(yōu)化后的軟件系統(tǒng)，大大簡化了系統(tǒng)程序，減少了初始化和通信時間，提高實時性和穩(wěn)定性.系統(tǒng)軟件流程如圖2所示，系統(tǒng)主程序在完成初始化工作之后，等待外部中斷，當(dāng)檢測到外部中斷之后，調(diào)用相應(yīng)的子程序模塊.

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

還采取了一系列抗干擾措施，采用PFC和DC/DC級合二為一的開關(guān)電源，提高輸入功率因素，減少電流諧波畸變；而且體積小，成本低[10].此外，為減少輻射干擾，開關(guān)電源的磁場屏蔽采用鐵磁材料[11].另外由于燈內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線路密集細長，電源容易跌落和受到干擾，現(xiàn)采用三級電源穩(wěn)壓方式，不僅容易實現(xiàn)穩(wěn)壓，而且具有較高電源效率.

2 調(diào)光控制與溫度保護

2.1 調(diào)光控制

為了避免色差，白光LED調(diào)光一般采用PWM方式，但傳統(tǒng)的單相PWM調(diào)光方式應(yīng)用在多路LED驅(qū)動時，會存在很大的負載電流變化，加大對轉(zhuǎn)換器的要求[12].優(yōu)化前系統(tǒng)采用8位定時器，只可實現(xiàn)256級的調(diào)光.現(xiàn)采用STM32F103芯片，主頻率達到74 MHz，具有16位定時器，大大提高PWM分辨率，多達65 536級的連續(xù)調(diào)光.此外，優(yōu)化前系統(tǒng)采用HV9910驅(qū)動芯片，缺少過壓、過流保護，且放電過程不在IC監(jiān)控下工作，容易造成誤操作.設(shè)計采用MBI6661恒流源的驅(qū)動芯片，不僅高精度輸出，而且具有過熱、欠壓鎖定,啟動過電流、輸出過電流、LED開路與短路等保護.

PWM調(diào)光控制主要有CPU控制電路和MBI6661恒流驅(qū)動電路兩部分，MBI6661驅(qū)動電路原理圖如圖3所示.MBI6661僅須通過5個外接組件即可為大電流的LED照明提供穩(wěn)定電流，串接驅(qū)動12顆LED，效率可達97%.其輸出電流可通過不同阻值的外接電阻來調(diào)整各輸出級的電流大小，而且在DIM腳連接由CPU接收LED舞臺燈光操作器發(fā)送的RDM燈光數(shù)據(jù)所產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號進行調(diào)光控制，從而控制LED燈的明暗變化.

圖3 MBI6661電路原理圖

2.2 溫度保護控制

系統(tǒng)采用大功率3 W RGBW LED光源數(shù)從數(shù)十到百多顆，面積超過400 cm2，分布較密.光源雖處在較封閉的空間，溫度較均勻,但原先僅采用1個熱敏電阻檢測燈具光源溫度，對檢測較遠距離的光源溫度的誤差較大.若部分光源長時間處于高溫狀態(tài)，將加速燈具老化且降低輸出功率，影響輸出效果.現(xiàn)采用嵌入式STM32F103芯片后，熱敏電阻數(shù)為5個，實時性提高，而且大大提高光源工作的穩(wěn)定性.

溫度保護控制工作原理：當(dāng)檢測點溫度變化時，R阻值相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致電壓值變化，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，CPU實時檢測數(shù)值變化，并將采集到的數(shù)值與設(shè)置的閾值進行比較，當(dāng)檢測點值超過閾值時間較短時，CPU只需通過提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高散熱，若長時間高于閾值，則CPU提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)PWM控制信號減小LED的平均驅(qū)動電流，以確保LED安全工作，從而達到保護燈具的目的.

3 運動控制

舞臺燈光要求快速準(zhǔn)確定位運動，使圖案變化均勻，失步和過沖現(xiàn)象是影響運動效果的重要因素，優(yōu)化前采用直線型加減速控制，圖案連續(xù)變化平滑性低且噪聲稍大[13].為使圖案變化更平滑，提高運動精度、降低噪聲，系統(tǒng)現(xiàn)采用S型加減速算法及細分控制.由于S型曲線算法復(fù)雜，計算量大，而細分控制需要具有高頻率的PWM，這都要求控制器具有較強運算能力、較快執(zhí)行速度，此外，每軸分別采用雙光電開關(guān)檢測同軸碼盤運動脈沖，用于檢測旋轉(zhuǎn)位置，應(yīng)用磁敏作為原點定位檢測；在這些應(yīng)用范圍內(nèi)，高主頻的32位CPU的STM32F103芯片完全可以滿足要求.

3.1 步進電機S型加減速控制

因水平、垂直步進電機所要帶動的機身質(zhì)量較重且體積大，運用直線型和指數(shù)型加減速控制在高速運行時出現(xiàn)柔性沖擊.因此系統(tǒng)采用S型加減速控制優(yōu)化，使系統(tǒng)具有快速平穩(wěn)運行和噪聲小等優(yōu)點[14]，減小磨損并延長燈具壽命.圖4和圖5所示分別為行程位置程序流程圖和S加減速程序流程圖，首先，行程位置程序預(yù)設(shè)好加減速的距離和標(biāo)志位，再調(diào)用模塊化的子程序，使程序更加簡潔和高效.并且采用PWM電流控制中斷程序，通過查找步距角細分表和電流-PWM對應(yīng)表，得到每一時刻步進電機細分步距的輸出電流.

圖4 行程位置程序流程圖

圖5 S加減速程序流程圖

3.2 步進電機的細分控制

細分控制是由驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)，步進電機在細分狀態(tài)下運行，由于步距角變小，轉(zhuǎn)子到達新穩(wěn)態(tài)點所具有的的動能也變小，從而使振動顯著減小[15].

這里采用64細分，通過PWM方式控制電流，假如電機的步距角1.2°，額定相電流1.5 A，其繞組內(nèi)的電流從0到1.5 A 或從1.5 A到0，需要經(jīng)過64步，即電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖約0.019°，提高步進電機的步距分辨率，減少轉(zhuǎn)矩波動.大大改善電機的低頻振動和噪音[16].

4 實驗結(jié)果

針對優(yōu)化后系統(tǒng)進行調(diào)光、運動控制、圖案變化效果、溫度、抗干擾等多方面性能測試，均獲得較滿意效果.現(xiàn)具體就調(diào)光及運動控制實驗，分析PWM調(diào)光曲線、定位精度和噪聲大小.

PWM調(diào)光測試，系統(tǒng)采用108顆四單色RGBW混色光源，4路調(diào)光，測試條件：調(diào)光PWM信號的頻率為600 Hz方波，幅值為5 V，燈距離成像點5 m，顏色白光.圖6為LED電流與照度特性曲線.

圖6 LED電流與照度特性曲線

理論上，完美調(diào)光曲線是條直線，傾斜角度一致，從曲線圖6可知，初始時，電流的值較小，照度較低，亮度較暗，人眼幾乎感覺不到光線的變化，隨著電流值的增大，電流與照度值曲線圖幾乎為一條直線，調(diào)光曲線圖較好.

運動定位控制試驗，燈具水平旋轉(zhuǎn)540°，垂直旋轉(zhuǎn)270°，水平全程旋轉(zhuǎn)用時3.2 s，垂直全程旋轉(zhuǎn)用時2.4 s.測試條件為：燈距離成像點5 m，運行掃描程序100%速度，時間10 min/次.共進行8次定位試驗數(shù)據(jù)測量，產(chǎn)生的誤差(cm)分別為：下移5、右移7、右移4、右移2、下移5、左移5、上移3、左移4.

取上述偏移角度平均值為0.501°，即掃描位置重復(fù)精度0.501°，相當(dāng)于在5 000 mm射距上的偏差約為43.72 mm.

運動噪聲控制試驗，表1為水平步進電機直線加速度與S曲線加速度比較，測試條件為64細分，每圈128 000個脈沖.

表1 水平步進電機直線加速度與S曲線加速度比較

S曲線的最高加速度a和最高速度比直線都大，其加速度的變化率a2遠遠小于直線加速，在加減速階段犧牲一些運行時間，但是在1圈以上的距離就明顯加快，系統(tǒng)運行平穩(wěn)和噪聲降低明顯，其噪聲可控制在38 dB內(nèi)，大大小于產(chǎn)品規(guī)定的55 dB.

5 結(jié)論

采用STM32F103控制LED舞臺燈后，通過優(yōu)化設(shè)計和實驗，使控制系統(tǒng)性能得到大大提升，主要表現(xiàn)在：(1) 采用1片32位的ARM CPU芯片代替3片單片機，成本略高，但占整個燈具比重不高，外圍線路減少，軟件功能集中，減少了系統(tǒng)受到干擾的可能性，大大提高了控制系統(tǒng)可靠性、實時性和控制性能；(2) 采用S型算法、細分控制、閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的運動圖案平滑連續(xù)、定位準(zhǔn)確、噪聲小及延長機械結(jié)構(gòu)壽命；(3) 全范圍連續(xù)調(diào)光且調(diào)光豐富，多達65 536級，進一步豐富了舞臺燈調(diào)光的等級和柔和度，實現(xiàn)節(jié)能控制的目的，而且溫度檢測更加準(zhǔn)確，保護LED光源.該系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到浩洋公司的搖頭舞臺燈BLZ370、OV12Q等多款產(chǎn)品中，經(jīng)濟效益顯著，應(yīng)用前景廣闊.

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The Optimization Design of Embedded Control System for LED Stage Lights

Wei Li-hua1, Tang Lu-xin1, Zhang Qiang-wu1, Jiang Wei-kai2

(1.School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;2.Guangzhou Hao Yang Electronic Co., Ltd., Guangzhou 511450, China)

As an advanced application of LED light, LED stage light enjoys their unique superior performances of long life and fast independent color adjustment which are widely used in stage lighting. In order to continuously improve the product performance and reliability of LED stage lights, 32-bit embedded STM32F103 chip is used instead of the original 3-chip of 8-bit micro-controllers, greatly simplifying the circuit and procedure and significantly increasing the software performance. The researchers optimize and experiment the whole system′s circuit, the motion control way, the dimming way and the temperature protection to let the lamps have the better control performance, function and reliability, and to improve the motion control accuracy, stability and the approximately stepless four-color light dimmer. The principle we develop has been applied to many head-moving lights which proves very effective.

LED stage lights; embedded; stepper motor driver; PWM dimming

2014- 02- 07

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研合作專項資金資助項目(2012B091100056)

韋麗花(1986-)，女，碩士研究生，主要研究方向為測控技術(shù)與儀器.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.020

TP215

A

1007-7162(2015)03- 0110- 05