基于FPGA的舞臺LED調(diào)光系統(tǒng)研究

任慧，彭康平

(1.中國傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京100024；2.視聽技術(shù)與智能控制系統(tǒng)文化和旅游部重點實驗室，北京100024；3.現(xiàn)代演藝技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100024)

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，舞臺燈光的控制要求也越來越高，目前市場上的舞臺LED調(diào)光器多采用ARM或單片機進(jìn)行控制，ARM系列嵌入式控制器目前占據(jù)市場主流，其優(yōu)點是性能高、成本低、能耗少。然而在舞臺LED調(diào)光器系統(tǒng)中也顯現(xiàn)出其不足之處，ARM的硬件PWM一般只有3～6路，無法滿足照明系統(tǒng)中大量的LED鏈路控制，通過軟件方法可以擴充PWM，卻也同時大大降低了控制器的速度處理性能，難以滿足數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?。本文采用了以FPGA為主控芯片研發(fā)舞臺LED調(diào)光系統(tǒng)。以FPGA為核心實現(xiàn)了手動調(diào)節(jié)和調(diào)光臺調(diào)光雙模式調(diào)光電路。通過實驗驗證，該調(diào)光系統(tǒng)性能穩(wěn)定，方便快捷，能滿足舞臺LED燈光的亮度控制要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由四個部分組成，手動調(diào)光模塊，上級調(diào)光臺調(diào)節(jié)模塊，控制和顯示模塊，恒流驅(qū)動電路模塊，如圖1所示。手動調(diào)光通過調(diào)節(jié)電位器獲得模擬電壓，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為調(diào)光數(shù)字信號[1]。上級調(diào)光臺通過DMX512協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示，并產(chǎn)生PWM信號，通過LED恒流驅(qū)動電路控制LED燈具的亮度變化。

圖1 系統(tǒng)整體硬件框圖

2.1 手動調(diào)光模式調(diào)光

手動調(diào)光模塊框圖如圖2所示。LED調(diào)光系統(tǒng)的手動模式通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電位器來實現(xiàn)。調(diào)節(jié)電位器，F(xiàn)PGA進(jìn)行數(shù)據(jù)的A/D采集轉(zhuǎn)換。將得到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到亮度信息。

圖2 手動調(diào)光模塊框圖

2.2 調(diào)光臺調(diào)光模式調(diào)光

調(diào)光臺調(diào)光模塊框圖如圖3所示。這部分通過上級調(diào)光臺發(fā)送數(shù)據(jù)控制，調(diào)光臺通過RS485發(fā)送信號，F(xiàn)PGA判斷數(shù)據(jù)并接收，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成亮度信息。

圖3 調(diào)光臺調(diào)光模塊框圖

2.3 控制和顯示模塊

控制和顯示模塊框圖如圖4所示?？刂颇K通過鍵盤來實現(xiàn)，鍵盤不僅要控制調(diào)光模式的選擇，還要在調(diào)光臺調(diào)光模式下控制通道號的選擇。FPGA把接收到的數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示出來，顯示模式狀態(tài)，通道號和亮度信息。

圖4 控制和顯示模塊

2.4 恒流驅(qū)動電路設(shè)計

本系統(tǒng)中的恒流驅(qū)動電路所用芯片為TI公司的LM3414[2]，其電路如圖5所示。

圖5 恒流驅(qū)動電路設(shè)計圖

圖中各個元件要根據(jù)LED燈具的不同來設(shè)置不同的參數(shù)。

圖中的Vin(+)和 Vin(-)表示LED燈具和電路之間的兩個接口，LED不僅表示LED燈具，代表LED燈組。FPGA輸出的PWM信號通過DIM引腳接入驅(qū)動電路。

占空比：

(1)

VIN即輸入電壓Vin(+)，VLED為LED燈組分得的電壓。輸入電壓要根據(jù)LED燈組的電壓來定，輸入電壓盡量比LED燈組電壓稍微大一點，不能超過太多。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件代碼的實現(xiàn)過程中，要按照top to down的設(shè)計方法進(jìn)行實現(xiàn)[3]。這種設(shè)計思路是先考慮系統(tǒng)的整體框架，并考慮好每個部件之間的互相聯(lián)系，設(shè)計好整體結(jié)構(gòu)后再對各個分部件進(jìn)行單獨設(shè)計。這種設(shè)計方法可以極大的減少設(shè)計階段中的很多重復(fù)性工作，提高工作效率。

3.1 手動調(diào)光模塊

手動模塊是通過A/D采集可調(diào)電阻電壓來實現(xiàn)的。

具體的實現(xiàn)步驟如圖6所示(圖中Y表示yes，N表示no)：

圖6 A/D采集設(shè)計流程圖

CS是芯片的選通引腳，當(dāng)CS為低電平時，芯片允許工作。根據(jù)串行數(shù)據(jù)的時鐘，先聲明本次采集的是哪個通道的數(shù)據(jù)，通道號由FPGA確定。A/D芯片接收到通道號后，將該通道的數(shù)據(jù)給到FPGA。每次采集到的數(shù)據(jù)都是12位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)執(zhí)行的是高位先行的原則。但亮度的調(diào)節(jié)只用到了8位，將所得12位數(shù)據(jù)進(jìn)行截位處理，只取高8位數(shù)據(jù)，得到的8位數(shù)據(jù)就是亮度信息數(shù)據(jù)。

3.2 調(diào)光臺調(diào)光模塊

調(diào)光臺調(diào)光?？炫饕菍崿F(xiàn)FPGA接收上級調(diào)光臺通過DMX512協(xié)議發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

接收DMX512協(xié)議數(shù)據(jù)，需要根據(jù)協(xié)議的時序來設(shè)計[4]。由DMX512的協(xié)議時序，得到了如圖7的設(shè)計流程：

圖7 DMX512協(xié)議接收器設(shè)計流程圖

DMX512每幀數(shù)據(jù)可以包含513個字段數(shù)據(jù)，其中第0個字段是特殊字段，不包含亮度信息。從第1個到第512個字段包含亮度信息。

在每幀數(shù)據(jù)的開頭都有一個不小于88us的復(fù)位，代表這一幀數(shù)據(jù)的開始，當(dāng)復(fù)位后標(biāo)記結(jié)束，F(xiàn)PGA檢測到下降沿時，開始接收字段0，接著字段1一直到字段512。每個字段包含11位數(shù)據(jù)，其中第0位是起始位，起始位要求必須為0；第1位到第8位是數(shù)據(jù)位，即亮度信息位；第9位和第10位是數(shù)據(jù)的停止位，要求停止位必須為1。每接收一個字段都要對它進(jìn)行錯誤檢測，一旦發(fā)現(xiàn)停止位不是1時，應(yīng)立馬放棄當(dāng)前數(shù)據(jù)，并停止接收后面的數(shù)據(jù)。

3.3 控制和顯示模塊

本系統(tǒng)中采用的是鍵盤的操控方式，鍵盤采用矩陣鍵盤實現(xiàn)，小巧輕便。顯示部分采用七段數(shù)碼管實現(xiàn)，F(xiàn)PGA在處理完數(shù)據(jù)后，直接將數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示。其流程圖如圖8所示。

圖8 控制和顯示設(shè)計流程圖

當(dāng)按下按鍵時要先識別按鍵，確認(rèn)是哪個按鍵按下。通道號共支持512個通道的預(yù)設(shè)，最大不能超過512，超過即認(rèn)定設(shè)置錯誤。模式選擇共有兩種模式，采用不同按鍵進(jìn)行切換。

3.4 PWM信號的實現(xiàn)

調(diào)光系統(tǒng)的兩種模式每次只能選擇一個，需要先進(jìn)行進(jìn)行模式的選擇。

具體的實現(xiàn)步驟如圖9所示：

圖9 數(shù)據(jù)選擇框圖

Data1和Data2分別表示手動模式的亮度數(shù)據(jù)和調(diào)光臺調(diào)光模式的亮度數(shù)據(jù)，num為0的時候選擇Data1，num為1的時候選擇Data2，如果輸入的num不為0也不為1，則data保持不變。

圖10 PWM信號輸出流程圖

占空比D為：

(2)

當(dāng)占空比為0時，LED燈具不亮，占空比為1時，LED燈具達(dá)到最亮。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 測試平臺搭建

以cyclone IV 型號FPGA為核心，進(jìn)行測試環(huán)境的搭建。將電位器接上5V電源，輸出端接到A/D采集轉(zhuǎn)換模塊，A/D采集轉(zhuǎn)換模塊選用ADC128S022芯片，A/D采集模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA。調(diào)光臺通過RS485將數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA。將矩陣鍵盤接入FPGA，數(shù)據(jù)在數(shù)碼管顯示。PWM輸出引腳連接恒流驅(qū)動電路。LED燈組連接恒流驅(qū)動電路。

4.2 調(diào)光測試

如圖11到圖15是兩種調(diào)光模式下測得不同占空比PWM信號，分別輸出占空比為0%，25%，50%，75%，100%。兩種調(diào)光模式下測得輸出PWM占空比波形完全一致。

圖11 占空比0%波形

圖13 占空比：50%

圖14 占空比75%波形

圖15 占空比100%波形

實驗測試LED亮度調(diào)光結(jié)果如表1所示。

表1 兩種調(diào)光模式測試結(jié)果

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以強大的FPGA為核心，通過FPGA進(jìn)行A/D采集轉(zhuǎn)換，接收調(diào)光臺的DMX512數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了雙模式的燈光調(diào)節(jié)。系統(tǒng)支持通道的預(yù)設(shè)，使每個燈具的使用更加的方便，系統(tǒng)控制操作方便，顯示直觀。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕便，可靠性高，性能穩(wěn)定，具有廣泛的應(yīng)用前景。