動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源嵌入式設(shè)計(jì)

蔡建軍

摘 要： 由于動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)不完善，使動(dòng)態(tài)光對(duì)LED的調(diào)節(jié)無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，而嵌入式系統(tǒng)則可有效提升LED驅(qū)動(dòng)電源各項(xiàng)性能。為此，設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源。其中的A/D采集模塊對(duì)動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整流、濾波和A/D轉(zhuǎn)換，得到A/D采樣數(shù)據(jù)并傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路采用嵌入式設(shè)計(jì)對(duì)A/D采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED發(fā)光的合理控制和動(dòng)態(tài)光對(duì)數(shù)字式LED的有效調(diào)節(jié)。C8051F021芯片是基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的“管理者”，其管理流程圖于軟件中給出。軟件還對(duì)A/D采集模塊的數(shù)據(jù)采集語(yǔ)言進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)性能強(qiáng)、電源轉(zhuǎn)換效率高。

關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)； 數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源； 嵌入式設(shè)計(jì)； C8051F021

中圖分類(lèi)號(hào)： TN86?34； TP303.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0103?04

Abstract： The adjustment of LED controlled by dynamic light can′t achieve the expected effect due to the imperfect design of digital LED driving power supply adjusted by dynamic light， but the embedded system can improve the performances of LED driving power supply effectively. An embedded system based digital LED driving power supply controlled by dynamic light was designed. The A/D acquisition module performs the acquisition， rectification， filtering and A/D conversion of data of digital LED adjusted by dynamic light to get the A/D sampling data， and transfer it to the driving circuit. The embedded design is adopted in the driving circuit to optimize the A/D sampling data， so as to control the LED lighting reasonably and regulate the digital LED with dynamic light effectively. The C8051F021 chip is the "manager" of the embedded system based digital LED driving power supply under dynamic light control. Its management flow chart is given in the third part of this paper. The data acquisition language of A/D acquisition module was design also in the third part. The experimental results show that the designed digital LED driving power supply has strong driving performance and high power conversion efficiency.

Keywords： dynamic light control； digital LED driving power supply； embedded design； C8051F021

0 引 言

現(xiàn)如今，數(shù)字式LED以其低耗、顯示清晰、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在家用電器的顯示配件方面占據(jù)了主導(dǎo)地位。動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)是一種能夠有效縮減數(shù)字式LED顯示屏漏光現(xiàn)象、增強(qiáng)顯示效果的方法，但由于動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)不完善，使動(dòng)態(tài)光對(duì)LED的調(diào)節(jié)無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，這已成為科研組織的研究難題[1?4]。嵌入式是一種以應(yīng)用為核心、以電子信息技術(shù)為根基的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其能夠調(diào)控軟硬件的靈活性，進(jìn)而提升LED驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)性能[5?6]。為此，利用嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源，增強(qiáng)數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)性能和轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光對(duì)數(shù)字式LED的調(diào)節(jié)效果。

科研組織對(duì)動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)成果均存在一些不足之處。如文獻(xiàn)[7]提出的能耗密度分配模型方法。這種方法能夠?qū)?dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的多余能耗合理分配出去，達(dá)到增強(qiáng)電源轉(zhuǎn)換效率的目的；但這種方法過(guò)于受限于電源傳送功率配對(duì)，故其驅(qū)動(dòng)性能較低。文獻(xiàn)[8]提出基于阻抗模型構(gòu)建動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的方法，阻抗模型能夠較為合理實(shí)現(xiàn)電源驅(qū)動(dòng)的高性能；但這種方法的耗能較大，電源轉(zhuǎn)換效率不高。

從以上動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)成果中可看出，我國(guó)科研組織對(duì)基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)迫在眉睫。

1 數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源嵌入式設(shè)計(jì)

1.1 LED驅(qū)動(dòng)電源整體設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的工作原理如圖1所示。

由圖1可知，在基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)中，A/D采集模塊對(duì)數(shù)字式LED數(shù)據(jù)進(jìn)行整流、濾波、A/D采樣，其對(duì)數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源有著過(guò)渡作用，是數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的基礎(chǔ)組成部分。驅(qū)動(dòng)電路是實(shí)現(xiàn)數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源對(duì)動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)控制的基礎(chǔ)，高性能的驅(qū)動(dòng)電路能夠給予數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源較高的驅(qū)動(dòng)性能?？刂菩酒菙?shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的控制核心，其管理著整個(gè)數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的工作流程。

1.2 A/D采集模塊設(shè)計(jì)

在A/D采集模塊中，整流是將采集到的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED的交流電近似轉(zhuǎn)化為直流電的過(guò)程；濾波是將近似直流電中的交流波形去除，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電的過(guò)程。圖2是濾波器電路圖。

濾波是排除電力干擾的一項(xiàng)重要手段，其能夠避免電源損傷、使電路元件維持在正常狀態(tài)下工作。由圖2可知，A/D采集模塊選用低通濾波器為動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED進(jìn)行濾波，其能夠進(jìn)行50 Hz電力信號(hào)的濾波，對(duì)高頻干擾的衰減效果較強(qiáng)。所設(shè)計(jì)的低通濾波器擁有2個(gè)輸入、輸出端口，并配備1個(gè)電源接地端。C，C1代表差模濾波電容，C2，C3代表共模濾波電容，L1，L2代表電感，T代表共模電感。如果出現(xiàn)干擾信號(hào)，電感則會(huì)高速增長(zhǎng)，阻止干擾信號(hào)通過(guò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED的濾波。整流濾波之后，A/D采集模塊將對(duì)其獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D采樣，圖3是A/D采樣電路圖。

由圖3可知，A/D采集模塊主要由對(duì)比器、寄存器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其最重要的組成元件是A/D轉(zhuǎn)換器。A/D采集模塊將其最初采集到的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED數(shù)據(jù)，利用對(duì)比器提高數(shù)據(jù)分辨率，并暫存在寄存器中。用戶(hù)可對(duì)寄存器處理流程進(jìn)行編程，A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)對(duì)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行依次調(diào)用，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方式采用高速形式，以增強(qiáng)基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)性能和電源轉(zhuǎn)換效率。A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果會(huì)經(jīng)由對(duì)比器與最初采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果對(duì)比器的對(duì)比結(jié)果是負(fù)數(shù)，A/D采集模塊將把寄存器狀態(tài)調(diào)至高效位；反之，則調(diào)至低效位。

寄存器的效位狀態(tài)會(huì)對(duì)A/D采集模塊的效率產(chǎn)生影響，通過(guò)不斷調(diào)整寄存器效位狀態(tài)，能夠提高數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的工作效率。最后，A/D采集模塊利用控制與定時(shí)邏輯原理，將其獲取到的A/D采樣數(shù)據(jù)輸出到驅(qū)動(dòng)電路。

1.3 驅(qū)動(dòng)電路嵌入式設(shè)計(jì)

受限于我國(guó)的科技能力，數(shù)字式LED的單顆發(fā)光物質(zhì)功率過(guò)低，在實(shí)際應(yīng)用中，只有將多顆發(fā)光物質(zhì)連接起來(lái)使用才能夠?qū)崿F(xiàn)LED的肉眼可視發(fā)光，連接方式主要采用串聯(lián)和并聯(lián)的混合連接。為此，必須通過(guò)特定的驅(qū)動(dòng)電路才能夠令動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED完成正常顯示功能，所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路采用嵌入式。

反激式轉(zhuǎn)換器是一種擁有簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源開(kāi)關(guān)，其能夠?yàn)轵?qū)動(dòng)電路提供較高水平的電壓升降和多路輸出。為此，基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)中，將反激式轉(zhuǎn)換器納入到驅(qū)動(dòng)電路，并利用隔離式轉(zhuǎn)換器維持?jǐn)?shù)字式LED的正常發(fā)光。圖4為驅(qū)動(dòng)電路電路圖。

由圖4可知，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路有著成本低、效率高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)LED發(fā)光的合理控制。驅(qū)動(dòng)電路能夠容納的輸入電壓范圍是[170 V，280 V]，LED發(fā)光物質(zhì)的連接方式是15顆串聯(lián)、5顆并聯(lián)，電流、電壓和功率的極大輸出值分別為350 mA，DC 60 V和20 W。A/D采集模塊會(huì)將其獲取到A/D采樣數(shù)據(jù)輸入到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路的輸出接收元件是單片機(jī)?；谇度胧较到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源為驅(qū)動(dòng)電路的連接設(shè)計(jì)成嵌入式連接，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)數(shù)字式LED發(fā)光的控制并非只有簡(jiǎn)單的開(kāi)啟和關(guān)閉，而是能夠合理調(diào)節(jié)數(shù)字式LED的發(fā)光亮度，以提高其使用壽命、增強(qiáng)動(dòng)態(tài)光對(duì)數(shù)字化LED的調(diào)節(jié)效果。

1.4 控制芯片設(shè)計(jì)

控制芯片是基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的“管理者”，故在控制芯片的選擇上應(yīng)絕對(duì)符合數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)初衷，這就要求所選擇的控制芯片應(yīng)具有高集成度和處理效率。因此，選擇某公司出產(chǎn)的C8051F021芯片作為數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的控制芯片，此芯片的性能較高且能夠獨(dú)立進(jìn)行高效的控制工作。

C8051F021芯片是一種擁有CIP?51 內(nèi)核的芯片，是對(duì)8051系列芯片的優(yōu)化成果。CIP?51 內(nèi)核擁有高兼容性和流水線結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)803x/805x編碼器對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)。CIP?51 內(nèi)核配備了5個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)通用異步收發(fā)傳輸器、1個(gè)256 B隨機(jī)存取存儲(chǔ)器以及1個(gè)特殊功能的寄存器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制指令的完美操作。

C8051F021芯片的內(nèi)部組成并不簡(jiǎn)單，這為其自身功能的完善提供了較為有利的元件支持。C8051F021芯片內(nèi)置看門(mén)狗計(jì)時(shí)器、電源監(jiān)聽(tīng)監(jiān)控設(shè)備、視頻存儲(chǔ)設(shè)備以及時(shí)鐘振蕩器，其中的視頻存儲(chǔ)設(shè)備可對(duì)基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行再編碼和更新。但由于經(jīng)再編碼后的數(shù)據(jù)容易丟失，故在使用此功能前必須對(duì)數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行檢測(cè)。

2 數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源嵌入式軟件設(shè)計(jì)

2.1 C8051F021芯片管理流程設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的軟件部分為C8051F021芯片的管理流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5中，C8051F021芯片所需進(jìn)行的初始化包括看門(mén)狗計(jì)時(shí)器參數(shù)重置、接口輸出配置以及編程單元參數(shù)設(shè)定，軟件也會(huì)同時(shí)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化。如果控制信號(hào)不存在，用戶(hù)則可手動(dòng)切換控制模式，否則將默認(rèn)為自動(dòng)調(diào)光模式；如果控制信號(hào)存在，初始化后的C8051F021芯片將會(huì)自動(dòng)接收控制信號(hào)，并進(jìn)行LED發(fā)光控制模式的設(shè)定。在C8051F021芯片進(jìn)行管理工作的過(guò)程中，用戶(hù)如果需要切換控制模式，應(yīng)在設(shè)定控制模式后選擇切換模式，否則只能選擇在基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下和數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源未工作的情況下進(jìn)行切換。這樣設(shè)計(jì)有助于維持?jǐn)?shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的工作連貫性，提高驅(qū)動(dòng)性能。

2.2 數(shù)據(jù)采集語(yǔ)言設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 驅(qū)動(dòng)性能驗(yàn)證

對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)性能的驗(yàn)證，可通過(guò)驗(yàn)證其驅(qū)動(dòng)效率和數(shù)字式LED輸出特性實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)效率是影響數(shù)字式LED光效的最主要原因，通過(guò)數(shù)字式LED輸出特性數(shù)據(jù)則能夠看出數(shù)字式LED電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的成功與否。

實(shí)驗(yàn)對(duì)6種不同規(guī)格的數(shù)字式LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，先利用萬(wàn)用表對(duì)本文數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)中整流濾波后的電壓進(jìn)行了測(cè)量，隨后將C8051F021芯片的輸出信號(hào)頻率調(diào)至30 kHz，并利用特定電源為C8051F021芯片供電。實(shí)驗(yàn)室的溫度恒定在20 ℃，濕度控制較為嚴(yán)格，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)效率曲線如圖6所示，數(shù)字式LED輸出特性如表1所示。

由圖6、表1可知，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)效率維持在89%左右，而市面上的數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)效率一般為80%；在數(shù)字式LED輸出特性統(tǒng)計(jì)表中，實(shí)際輸出的電流和電壓均在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，且電流變化對(duì)電壓輸出的影響不大。當(dāng)電流小于300 mA時(shí)，數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源會(huì)停止對(duì)數(shù)字式LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。以上結(jié)果能夠證明，基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)性能較強(qiáng)。

3.2 電源轉(zhuǎn)換效率驗(yàn)證

對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的電源轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的電源轉(zhuǎn)換效率范圍在[80%，88%]之間，且波動(dòng)較為穩(wěn)定，未產(chǎn)生尖峰脈沖現(xiàn)象，可見(jiàn)其對(duì)數(shù)字式LED功率的矯正水平較高，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)光對(duì)數(shù)字式LED的有效調(diào)節(jié)，驗(yàn)證了基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的電源轉(zhuǎn)換效率較高。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源。其中的A/D采集模塊對(duì)動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整流、濾波和A/D轉(zhuǎn)換，得到A/D采樣數(shù)據(jù)并傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路采用嵌入式設(shè)計(jì)對(duì)A/D采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED發(fā)光的合理控制和動(dòng)態(tài)光對(duì)數(shù)字式LED的有效調(diào)節(jié)。C8051F021芯片是基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源的“管理者”，其管理流程圖于軟件中給出。軟件還對(duì)A/D采集模塊的數(shù)據(jù)采集語(yǔ)言進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的數(shù)字式LED驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)性能強(qiáng)、電源轉(zhuǎn)換效率高。

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