大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)構建

周 明

(桂林海威科技股份有限公司，廣西 桂林 541004)

0 引言

LED燈陣作為信息時代的優(yōu)秀產(chǎn)物，具有方便、安全等特點。通過太陽能、風能等能源進行發(fā)電，并與LED燈陣照明技術結合來代替?zhèn)鹘y(tǒng)LED照明，該技術對于節(jié)能環(huán)保具有深遠意義[1]。大功率LED燈陣往往因電源電壓的多次轉換、電源電壓時間過長，導致使用能耗較高[2]。為了充分掌握大功率LED燈陣的照明能耗，相關專家和學者對大功率LED燈陣的能耗測量問題進行研究，并已經(jīng)取得了一些成就[3]。傳統(tǒng)的大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)存在測量精度較低、自身運行能耗較高的缺點，不能滿足能耗測量系統(tǒng)的設計需求[4]。為解決以上問題，提出大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的改進設計。以燈陣能耗測量系統(tǒng)的總體架構為依據(jù)，對系統(tǒng)硬件的照明管理系統(tǒng)模塊、通信模塊、電源電路和驅動電路等組件進行改進，開發(fā)軟件部分的能耗測量程序，完成大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的設計。實驗證明，該系統(tǒng)測量精度高，運行能耗低。

1 系統(tǒng)總體設計

要對大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)進行構建，需先對系統(tǒng)的總體架構進行設計。將大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)大體分為：燈陣照明管理系統(tǒng)模塊、RS232通信、主控制器、RS485通信、總線接口、SRAM隨機存儲、TFT-LCD液晶顯示、電源供電電路和外圍輔助電路等，給出大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)整體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖

圖1中的MCU主控單元設計采用的是STM32F103，其作為意法半導體所推出的以ARM-Cortex-M3當作核心，有高性能、低成本、低功耗的特點[5]，可大大提高LED燈陣照明的能耗控制效果。芯片的內部集成了多種高性能的標準接口，能夠很好地適應各種不同的應用。依據(jù)LED燈陣照明節(jié)能控制系統(tǒng)設計的需求，選取該系列中大容量增強型的產(chǎn)品，芯片的型號是STM32F103ZET6，該芯片中有144引腳，工作的頻率最高能夠達到72 MHz，內部具有大容量存儲空間，512K字節(jié)Flash以及64K字節(jié)SRAM，這些數(shù)據(jù)能夠讓使用者不需要添加外部的存儲，僅需芯片自身就能夠應用至多個場合。另外芯片引腳利用2.0～3.6 V供電，通過VBAT給RTC與后備寄存器提供電量，為了保障功耗的高效控制，該芯片有睡眠和停機與待機控制模式。控制器不需運行時，使用者能夠根據(jù)情況選擇最佳低功耗模式。

在STM32F103ZET6中嵌入3個13位的模數(shù)轉換器，和12位D/A轉換器與12通道DMA控制器。能夠充分地利用芯片的內部資源，最大化地簡化外電路。芯片中含有112個雙向的I/O端口，這些端口基本具有5 V的容忍能力。

以系統(tǒng)整體架構為理論依據(jù)，對大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)進行設計，使改進設計的能耗測量系統(tǒng)具有一定的合理性和可行性。

2 系統(tǒng)硬件設計

大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的硬件結構主要由照明管理系統(tǒng)模塊、通信模塊、隨機存儲SRAM、Flash閃存模塊、TFT-LCD液晶顯示模塊、電源電路和驅動電路組成。對各模塊進行改進設計，提高系統(tǒng)硬件性能。具體改進過程描述如下：

2.1 照明管理系統(tǒng)模塊

LED的燈陣能量測量系統(tǒng)利用了集散控制的思想，即管理和控制分開，上位機用來集中監(jiān)視管理，若干臺下位機分散至現(xiàn)場完成分布式控制，上位機和下位機間利用控制網(wǎng)絡連接實現(xiàn)信息的互傳。該模塊的主要組成部分為：控制中心、區(qū)域控制模塊、測控模塊?？刂浦行牡呢熑问菍φ麄€系統(tǒng)進行集中管理，其中遠程實時控制和運行信息的采集與監(jiān)測。區(qū)域控制模塊的責任是對管轄區(qū)域內的照明進行控制、將管理中心的指令進行解析以及狀態(tài)檢測。區(qū)域控制模塊與管理中心間通過GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，測控模塊與區(qū)域控制模塊間采用無線通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 通信模塊

通信模塊主要包括RS232通信模塊和RS485通信模塊。RS232是根據(jù)EIA制定的標準接口，主控器利用RS232和無線通信模塊進行連接，能夠方便地實現(xiàn)遠程通信監(jiān)測。而系統(tǒng)中RS485接口是用來連接LED燈陣亮度檢測器的，傳輸周圍環(huán)境的信息。SP3485為低功耗RS485收發(fā)器，其工作電壓為3.3 V，數(shù)據(jù)的傳輸速率帶負載能夠達到10 Mbps，還能夠實現(xiàn)功耗關斷。另外SP3485的驅動器是差分輸出，所輸出的ISC最大為250 mA，在共模范圍內該芯片能承受-7.0～+12 V的任何短路。

系統(tǒng)中的總線通信模塊用來完成主控器和調光器之間的調光信息傳遞，CAN總線通信模塊電路圖如圖2所示。

圖2 CAN總線通信模塊

圖2中顯示的CAN總線電路中的TJA1050為高速CAN收發(fā)器。在PCA82C250基礎上進行了改造，不僅降低了電磁的輻射，而且還提高了自身性能，為節(jié)能控制系統(tǒng)的通信提供了便利。

2.3 隨機存儲SRAM

LED燈陣能耗測量系統(tǒng)控制器的外擴型號是IS61LV51216的SRAM芯片。其結構是512K*16位字長，且容量為8 M[6]。此芯片連接于STM32的FSMC上，能夠滿足控制系統(tǒng)大功率和大存儲空間的需要。給出隨機存儲SRAM電路圖如圖3所示。

圖3 SRAM隨機存儲電路

2.4 Flash閃存模塊

對于LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的主控制器的閃存選取的是SPI Flash，其型號為W25Q64芯片，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)長期存儲。芯片的容量為64 Mb，字節(jié)為8M[7]。Flash閃存電路圖如圖4所示。

圖4 Flash閃存電路

2.5 TFT-LCD液晶顯示模塊

該模塊中的晶體管，液晶顯示器上每一點像素均是由薄膜晶體管驅動的。該種屏顯有高速度和高亮度以及高對比度等優(yōu)點[8]。該控制器中使用2.8寸顯示完成系統(tǒng)LED燈陣能耗測量狀態(tài)以及相關的操作。XP2046為觸摸屏控制器。其具有4線制的觸摸屏接口，同時還有隨時觸摸壓力測量的功能。它通過SPI3線對通信接口進行控制，支持I/O接口的變壓變化1.5V至5.25V。

2.6 電源電路

系統(tǒng)的電源電路為整個硬件電路供給電源，其中包含主控芯片以及各個模塊的供電，電源電路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)電源電路

圖5中LM2576系列穩(wěn)壓器為單片集成的電路，可以提供穩(wěn)壓器中的各種性能，還能夠驅動3A負載，輸出3.3V、5V和12V以及15V的電壓。LM2576S-5.0能夠將24V電壓轉化成5V，圖中的LM1117再把5V輸入電壓轉化成3.3V。三種電壓一起為各電路供應電量。SS14二極管的主要作用是對電路進行保護，二極管1N5822的作用就是對LED燈陣電流傳輸?shù)谋Ｗo以及控制電壓轉換次數(shù)和轉換的時間，以降低LED燈陣的照明能耗。

2.7 驅動電路

對于LED的調光，當前主要的方式有：模擬調光和可控硅斬波以及PWM調光。其中模擬調光利用調節(jié)電阻的阻值來控制電流的大小實現(xiàn)調光，該方法雖然可避免噪聲，不過增大了系統(tǒng)的能耗。其次可控硅采用調節(jié)開放角大小的形式調節(jié)電壓和功率，實現(xiàn)調光，但因為非線性元件會導致諧波污染[9]。而PWM，也就是脈寬調制，它是一種通過簡約的數(shù)字脈沖，采用控制脈寬就能對平均輸出的電流進行控制，實現(xiàn)調光。另外其電流的調節(jié)能在零至最大間反復地切換，調光效果很好，非常適用在無級調光中。由此本文采用PWM控制LED調光的方式完成調光，執(zhí)行PWM所控制的LED燈陣功率開關的元件，選取驅動電流小，且開關變換速度快的MOS器件，以降壓型的電流調節(jié)器LM3409HV當作驅動電路的控制器?？刂破鞯碾娐份斎腚妷簽?8V時，能夠驅動10個LED燈陣，其中，LED燈陣最大的平均電流為2A。電壓的輸入范圍在6至75V間，開關頻率400kHz。LM3409HV能通過EN口將PWM信號接入，控制MOS器件的開關頻率，以控制輸入LED燈陣的平均電流，以達到調光的目的。

綜上所述，完善以上通信模塊、隨機存儲SRAM、Flash閃存模塊、電源電路等系統(tǒng)主要硬件模塊，完成對大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)硬件部分的設計，為系統(tǒng)軟件設計提供最優(yōu)的硬件環(huán)境。

3 系統(tǒng)軟件設計

LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的軟件能耗測量流程圖如圖6所示，系統(tǒng)先對各模塊初始化，再讀取LED燈陣周圍的光亮度以及環(huán)境信息等數(shù)據(jù)。

圖6 系統(tǒng)軟件能耗測量流程圖

圖6中，當控制系統(tǒng)檢測出沒有人工手動進行操作時，則進一步對LED燈陣周圍環(huán)境的狀態(tài)進行檢測，也就是能耗測量是否正常，當控制異常時，則按照異常的處理程序報警。如果周圍環(huán)境正常，LED燈陣能花測量系統(tǒng)則開始對CAN總線通信進行檢測，假設一些正常，那么將智能控制系統(tǒng)的主程序開啟，對各個子控制器傳輸無級調光指令，將調光狀態(tài)傳送至上位機進行隨時監(jiān)測。當調光控制結束之后，系統(tǒng)的延時將時間設定后，循環(huán)上述流程。

根據(jù)以上步驟，通過完善系統(tǒng)硬件的通信、隨機存儲SRAM、Flash閃存、電源等模塊，優(yōu)化能耗測量功能，完成大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的設計。

4 實驗結果與分析

為驗證改進設計的大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的整體性能，需采用改進的大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)進行實驗。將實驗平臺搭建在Simulink上，實驗數(shù)據(jù)取自于某大型商場的LED燈陣大屏。分別在以下方面進行實驗：

1)將改進設計的大功率LED燈陣照能耗測量系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)分別應用在實驗對象上，在相同的單位時間內，觀察兩種不同系統(tǒng)對LED燈陣能耗測量精度。

2)電源電壓的轉換次數(shù)和轉換時間作為大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)性能的驗證指標之一，電壓轉換的次數(shù)多會增加能耗，轉換時間過長會大大消耗LED能量，為此對不同系統(tǒng)在這兩方面進行實驗，觀察不同系統(tǒng)的運行能耗情況。

能耗測量精度是檢驗改進設計的大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)性能的最關鍵指標，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)進行能耗測量精度測試，對兩種不同系統(tǒng)的能耗測量精度進行記錄，測得兩種不同系統(tǒng)的能耗測量精度對比結果如圖7所示。

圖7 兩種不同系統(tǒng)能耗測量精度對比結果

由圖7看出，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對大功率LED燈陣進行能耗測量，其測量精度在0～40s的過程中呈上升趨勢，但上升幅度較小，當實驗時間為40s時，能耗測量精度最大為18%，在40～80s時能耗測量精度呈下降趨勢，平均能耗測量精度約為15%。采用改進系統(tǒng)對大功率LED燈陣進行能耗測量，其測量精度在0～40s的過程中呈大幅度上升趨勢，當試驗時間為40s時，能耗測量精度達到最大，為80%。隨后能耗測量精度會隨著時間的增加而下降，平均能耗測量精度約為60%。對比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)的能耗測量精度可得，改進系統(tǒng)的起始能耗測量精度大于傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗測量精度，且改進系統(tǒng)的平均能耗測量精度遠遠大于傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均能耗測量精度。充分說明改進系統(tǒng)的能耗測量精度更高，驗證了改進系統(tǒng)的有效性。

為了檢測所設計的大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的運行能耗情況，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)對大功率LED燈陣的能耗進行電源電壓轉換次數(shù)的測量，電源電壓轉換次數(shù)的增加會使系統(tǒng)運行能耗增加，測得兩種不同系統(tǒng)電源電壓轉換次數(shù)對比結果如表1所示。

表1 兩種不同系統(tǒng)電源電壓轉換次數(shù)對比結果

分析表1可知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對大功率LED燈陣的能耗進行測量，其電源電壓轉換次數(shù)隨著時間的增加，大幅度增加，平均電源電壓轉換次數(shù)為10次。采用改進系統(tǒng)對大功率LED燈陣的能耗進行測量，其電源電壓轉換次數(shù)隨著時間的增加上升幅度極小，平均電源電壓轉換次數(shù)為4次。對比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)的電源電壓轉化次數(shù)可得，改進系統(tǒng)的平均電源電壓轉換次數(shù)遠遠小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均電源電壓轉換次數(shù)，且小于傳統(tǒng)系統(tǒng)平均電源電壓轉換次數(shù)的一般，說明改進系統(tǒng)的運行能耗更低，驗證了改進系統(tǒng)的實用性。

電源電壓的轉換時間是影響運行能耗的另一關鍵因素。因此分別對傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)的電源電壓轉換時間進行測試，測得兩種不同系統(tǒng)的電源電壓轉換時間對比結果如表2所示。

表2 兩種不同系統(tǒng)電源電壓轉換時間對比結果

分析表2可得，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對大功率LED燈陣的能耗進行測試，其電源電壓的轉換時間隨著頻率的增大而大幅度增加，平均電源電壓轉換時間為17s。采用改進系統(tǒng)對大功率LED燈陣的能耗進行測試，其電源電壓的轉換時間隨著頻率的增加，上升幅度很小，平均電源電壓轉換時間為5s。對比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)的電源電壓轉換時間可知，改進系統(tǒng)的平均電源電壓轉換時間遠遠小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均電源電壓轉化時間，僅是傳統(tǒng)系統(tǒng)平均電源電壓轉換時間的三分之一，充分說明改進系統(tǒng)的運行能耗更低，驗證了改進系統(tǒng)的實用性。

綜合以上實驗結果可得，改進設計的大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)測量精度高，運行能耗低，具有一定的有效性和實用性。

5 結束語

為滿足我國LED燈陣節(jié)能設計的需求，提出改進設計大

功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)。充分分析大功率LED燈陣能耗測量的功能需求，制定大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的總體架構，依據(jù)總體架構，改進設計系統(tǒng)硬件部分的照明管理系統(tǒng)模塊、通信模塊、隨機存儲SRAM、Flash閃存模塊、TFT-LCD液晶顯示模塊、電源電路和驅動電路，對系統(tǒng)軟件部分的能耗測量功能進行優(yōu)化開發(fā)，完成大功率LED燈陣能耗測量系統(tǒng)的設計。實驗證明，該系統(tǒng)測量精度高，運行能耗低，滿足能耗測量的需求。但在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面尚有不足，未來將針對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行研究，為LED燈陣節(jié)能設計的發(fā)展提供借鑒依據(jù)。

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