基于ARM的舞臺LED燈具光色控制系統(tǒng)的研究

任慧，李舒?zhèn)ィ瑒⒀?/p>

( 1.中國傳媒大學 信息工程學院，北京100024；2.視聽技術與智能控制系統(tǒng)文化部重點實驗室，北京100024； 3.現(xiàn)代演藝技術北京市重點實驗室，北京100024)

1 引言

舞臺燈光源從早期的普通白熾燈，發(fā)展為高效的金屬鹵化物氣體光源、三基色熒光燈光源、微波耦合觸發(fā)光源、 LED光源，不斷地向高效節(jié)能綠色的方向發(fā)展。其中大功率LED光源依靠無污染、高光效、壽命長等特點有取代傳統(tǒng)光源的趨勢[1]。由于LED光源亮度和光譜以及視覺效應與傳統(tǒng)舞臺專業(yè)燈具的色光性能具有很大差異，因而無法應用于舞臺專業(yè)型聚光燈[2]。當前，白光LED光源合成方法主要有兩種：(1)采用冷白色LED加暖白色LED混合，制作高亮度的色溫可調(diào)的白光LED，但是以這種方法實現(xiàn)的白光LED的色度控制的準確性較差[3-4]；(2)采用紅綠藍LED混合成實現(xiàn)，并可對混合白光的色度進行準確的控制，然而這種方法由于其光譜中紅色成份相對較小，顯色指數(shù)仍與類似自然光源的鹵鎢燈有很大的差別[5-6]。為了解決以上問題，本文研究設計了一種舞臺LED燈具光色控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ARM微處理器作MCU，在實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ的基礎上，采用PWM調(diào)光技術，依據(jù)RGBW四色LED混光模型，設計了擬合黑體軌跡的調(diào)光方法。同時，為了便于操作人員快速地使用四色LED模組調(diào)出所需的顏色，本系統(tǒng)設計還結(jié)合了HSI(H-色調(diào)，S-飽和度，I-亮度)調(diào)色程序與二次調(diào)光程序。

2 系統(tǒng)設計和硬件組成

2.1 系統(tǒng)整體方案設計

本控制系統(tǒng)主控制器采用以ARM Cortex-M4為內(nèi)核設計的控制芯片，內(nèi)核中集成FCU，能夠很好地兼容各類數(shù)據(jù)的計算。主控制器通過RS485串口接收DMX512信號，并根據(jù)用戶預先設定的地址，選取DMX512信號中對應地址的信號解析為PWM控制信號。同時主控制器還可以接收觸摸屏輸入的人機交互信號，同時將信號解析為PWM控制信號，輸出的PWM控制信號控制LED驅(qū)動器調(diào)節(jié)LED電流來控制燈光色的改變。系統(tǒng)外設EEPROM用來存儲用戶設定的地址和燈光控制信號等狀態(tài)信息，每次系統(tǒng)啟動時都會從EEPROM中讀取相應的狀態(tài)信息，斷電時將狀態(tài)信息寫入EEPROM中。DS18B20將實時采集LED的溫度，并根據(jù)LED的溫度高低調(diào)節(jié)散熱器風機的轉(zhuǎn)速，從而有效地降低LED的溫度，保護系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。系統(tǒng)的總體方案設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2.2 LED驅(qū)動電路設計

本系統(tǒng)的驅(qū)動電路采用LM3414芯片，該芯片是一種共陽極恒流降壓LED驅(qū)動器，適用于單個信號驅(qū)動3W的高亮度LED，驅(qū)動效率可達96%。

LED驅(qū)動電路如圖2所示。LM3414中集成了用于實現(xiàn)簡單的計數(shù)電路的低邊N溝道MOSFET管和電流傳感元件，因此不需要升壓電路和外部電流檢測傳感器。IADJ端接一個外部小信號電阻接地提供非常精細的LED電流調(diào)節(jié)。FS端為開光頻率控制端口，通過一個接地的電阻器R2設置恒定開光頻率，使得該電路不需要外部環(huán)路補償網(wǎng)絡也能減少電路的電磁干擾。該芯片特有脈沖電平調(diào)制方法用于實現(xiàn)穩(wěn)定的電流輸出和電路的高轉(zhuǎn)化率。該驅(qū)動電路能夠?qū)斎隠ED的電流進行精細調(diào)節(jié)，在256步調(diào)光信號中實現(xiàn)對LED燈珠的快速響應控制。

圖2 LED驅(qū)動電路設計電路圖

2.3 通信接口模塊設計

本系統(tǒng)的通信模塊特別選擇SP3485芯片作為信號收發(fā)電路控制芯片。該芯片能夠完成3.3V的供電，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，讓空間內(nèi)的數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù)量上升到三十多個。SP3485芯片中A、B 代表芯片的總線接口，能夠與485總線相連。RO表示數(shù)據(jù)的輸出端，而DI則表示數(shù)據(jù)的輸入端。本系統(tǒng)設計中的 MCU與SP3485連接的電路詳情如圖3所示。SP3485與MCU的串口相連，實現(xiàn)MCU與網(wǎng)絡節(jié)點之間的485通信。另外，R38和R40是兩個偏置電阻，用來保證總線空閑時，A、B之間的電壓差都會大于200mV(邏輯 1)。從而避免因總線空閑時，A、B壓差不定，引起邏輯錯亂，可能出現(xiàn)的亂碼。

圖3 RS485通信接口電路設計原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 擬合黑體軌跡的LED混光算法

黑體軌跡即普朗克軌跡，定義為理想黑體輻射的光譜在色品坐標下形成的軌跡線。熱輻射光源發(fā)光原理與理想黑體相同，因此其色溫變化時光色軌跡十分接近黑體軌跡[7]。為了使LED光源模擬熱輻射光源的色溫調(diào)節(jié)效果，本算法首先計算出色品圖中黑體軌跡上色溫范圍2300K-3200K的色品坐標，在顯色指數(shù)最大的約束條件下，計算出各色品坐標對應的RGBW混色比例和占空比，最終控制光源發(fā)出相應色溫的白光。

LED混光算法流程圖如圖4所示。在算法流程中，目標色度坐標用查表法進行計算。確定目標色溫遍歷范圍之后，需要對色溫范圍進一步劃分并對目標亮度進行賦值。計算的程序色溫遍歷范圍設定為2500K至8875K，步長25K。將混光算法目標光通量設定為可以盡量提高混合光的照度。運行程序，得到256個目標色溫點所對應的混光系數(shù)數(shù)據(jù)。黑體軌跡上的色坐標作為擬合目標進行循環(huán)計算，在循環(huán)計算的過程中完成對混光光譜的顯色性優(yōu)化，最終得出一系列色溫連續(xù)的光譜混光系數(shù)。這些混光系數(shù)可以直接作為RGBW四色LED光源的混光依據(jù)，指導燈具的控制系統(tǒng)對光源進行大范圍色溫連續(xù)調(diào)節(jié)。

3.2 PWM調(diào)光程序設計

根據(jù)LED光源的基本電氣特性，本系統(tǒng)需要采用精確高效的恒流驅(qū)動方式，使光輸出穩(wěn)定可靠。PWM調(diào)光方式就是根據(jù)LED發(fā)光原理發(fā)展而來的一種調(diào)光方式。由于LED對電流的響應速度極快，因此可以采用足夠頻率的脈沖對LED進行恒流驅(qū)動。

根據(jù)PWM調(diào)光的基本原理，改變紅光、綠光、藍光和白光LED驅(qū)動電流的占空比，可以改變各自色光的強度，通過不同占空比的組合，就可以得到不同混合比例的光色。同時，不同色溫的白光由不同比例的四通道LED混合得到。由于DMX調(diào)光指令范圍為0-255，因此將擬合黑體軌跡的目標色溫范圍設定為2475K-8875K，步長25K，在MATLAB中計算得到256組混光系數(shù)。將該系數(shù)與系統(tǒng)中PWM時鐘重裝載值相乘，得到256組調(diào)光值，存儲在二維數(shù)組中。色溫調(diào)節(jié)時，根據(jù)DMX指令值讀取相應的四通道PWM調(diào)光值，可以得到相應的混合光輸出。在利用PWM方式調(diào)光的過程中，由于驅(qū)動電流總是處于最大電流的恒流驅(qū)動狀態(tài)，因此LED的光譜不會隨亮度改變，具有良好的光色穩(wěn)定性。在調(diào)光過程中光源的色坐標和光譜基本保持穩(wěn)定(不考慮結(jié)溫的影響)，并且PWM占空比與光通量一般會呈現(xiàn)正比例的函數(shù)關系：L = K·L′(其中L表示目標亮度，K表示占空比，L′表示LED在滿電流時的亮度)。

同時，LED屬于半導體二極管，可以將電能直接轉(zhuǎn)化成光能，發(fā)光響應速度達到納秒級別。在對LED進行調(diào)光時，如果不對調(diào)光曲線加以設計會造成起光亮度跳變的問題。對于DMX協(xié)議而言，每一路調(diào)光指令為0-255，可以對DMX調(diào)光指令范圍與16位調(diào)光精度范圍(0-65535)做二次曲線映射，并將調(diào)光值存入數(shù)組。這樣可以得到經(jīng)過設計的二次調(diào)光曲線，避免了起光和閉光時的閃爍和亮度跳變問題，使LED光源亮度調(diào)節(jié)產(chǎn)生類似傳統(tǒng)熱光源燈具的效果。調(diào)光曲線如圖5所示。

圖5 二次調(diào)光曲線

3.3 連續(xù)色彩調(diào)節(jié)程序設計

為了便于操作人員快速地調(diào)出所需的顏色，本系統(tǒng)設計了HSI(H-色調(diào)，S-飽和度，I-亮度)調(diào)色程序，顏色調(diào)節(jié)原理如圖6所示。在LED混光過程中，調(diào)節(jié)H(色調(diào))可以使混合光的色坐標在色度空間內(nèi)沿RGB三色構成的三角形色域的邊沿移動，可以得到混合光的色調(diào)在紅橙黃綠青藍紫的色調(diào)范圍內(nèi)快速連續(xù)變化。確定混合光的色調(diào)后，通過調(diào)節(jié)S(飽和度)來控制顏色深淺，圖中顯示的線段M-W，從色調(diào)M連續(xù)變化過渡到白色W。因此，系統(tǒng)通過HIS調(diào)節(jié)程序可以方便地調(diào)出不同色調(diào)、不同飽和度顏色的LED燈光。

圖6 HSI調(diào)色程序原理示意圖

3.4 DMX512數(shù)據(jù)傳輸程序設計

本控制系統(tǒng)主要用于舞臺下位機LED燈具，通過串口接收上位機發(fā)送的DMX512控制信號。任務流程如圖7所示。當控制器通過RS485接收上位機發(fā)送的控制信號時，主控制器自動將用戶設定的地址信息存入EEPROM芯片中，并檢測DMX512信號中Break標志位是否存在，如果檢測到中斷標志位串口中斷開啟，根據(jù)EEPROM中存儲的地址信息在DMX512數(shù)據(jù)中獲取對應地址的燈光控制信號，在DMX任務主體函數(shù)中循環(huán)對緩存數(shù)據(jù)與本地數(shù)據(jù)進行校驗，若有數(shù)據(jù)變化則傳遞新的數(shù)據(jù)至本地數(shù)組，并根據(jù)新數(shù)據(jù)將控制信號解析為PWM控制信號，驅(qū)動LED光源。

DMX信號捕獲主要有兩個全局變量，用于輔助實現(xiàn)低電平捕獲。其中，TIM5CH1_CAPTURE_STA用來記錄捕獲狀態(tài)，TIM5CH1_CAPTURE_VAL用來記錄捕獲到上升沿時當前定時器的值。串口接收數(shù)據(jù)函數(shù)用來接收DMX信號數(shù)據(jù)幀中攜帶的燈光亮度數(shù)據(jù)，由于第0幀為保留幀并無實際意義，因此數(shù)據(jù)接收從第1幀開始到第512幀結(jié)束。USART_ReceiveData()用來讀取存儲在UDR寄存器中接收到的燈光亮度數(shù)據(jù)。

圖7 DMX調(diào)光任務程序流程圖

4 結(jié)論

本文研究并設計了基于ARM的舞臺LED燈具光色控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對LED光源的大范圍色溫調(diào)節(jié)和色彩管理功能，同時數(shù)據(jù)流通信方式應用DMX512通信協(xié)議，方便與舞臺燈具信息傳遞。另外，控制系統(tǒng)設計帶有觸屏的人機交互功能，能提供豐富的參數(shù)包括溫度、點亮時長、DMX地址等信息，方便用戶對單個燈具進行手動控制。該系統(tǒng)具有廣泛實用價值和市場應用前景。