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(shí)代的優(yōu)秀產(chǎn)物，具有方便、安全等特點(diǎn)。通過(guò)太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源進(jìn)行發(fā)電，并與LED燈陣照明技術(shù)結(jié)合來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)LED照明，該技術(shù)對(duì)于節(jié)能環(huán)保具有深遠(yuǎn)意義[1]。大功率LED燈陣往往因電源電壓的多次轉(zhuǎn)換、電源電壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)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(guān)專家和學(xué)者對(duì)大功率LED燈陣的能耗測(cè)量問(wèn)題進(jìn)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(cè)量系統(tǒng)存在測(cè)量精度較低、自身運(yùn)行能耗較高的缺點(diǎn)，不能滿足能耗測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求[4]。為解決以上問(wèn)題，提出大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。以燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的總體架構(gòu)為依據(jù)，對(duì)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(qū)動(dòng)電路等組件進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)軟件部分的能耗測(cè)量程序，完成大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)測(cè)量精度高，運(yùn)行能耗低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

要對(duì)大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，需先對(duì)系統(tǒng)的總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。將大功率LED燈陣能耗測(cè)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(jī)存儲(chǔ)、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(cè)量系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

圖1中的MCU主控單元設(shè)計(jì)采用的是STM32F103，其作為意法半導(dǎo)體所推出的以ARM-Cortex-M3當(dāng)作核心，有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)[5]，可大大提高LED燈陣照明的能耗控制效果。芯片的內(nèi)部集成了多種高性能的標(biāo)準(zhǔn)接口，能夠很好地適應(yīng)各種不同的應(yīng)用。依據(jù)LED燈陣照明節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，選取該系列中大容量增強(qiáng)型的產(chǎn)品，芯片的型號(hào)是STM32F103ZET6，該芯片中有144引腳，工作的頻率最高能夠達(dá)到72 MHz，內(nèi)部具有大容量存儲(chǔ)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(chǔ)，僅需芯片自身就能夠應(yīng)用至多個(gè)場(chǎng)合。另外芯片引腳利用2.0～3.6 V供電，通過(guò)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(jī)與待機(jī)控制模式?？刂破鞑恍柽\(yùn)行時(shí)，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(gè)13位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，和12位D/A轉(zhuǎn)換器與12通道DMA控制器。能夠充分地利用芯片的內(nèi)部資源，最大化地簡(jiǎn)化外電路。芯片中含有112個(gè)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(gòu)為理論依據(jù)，對(duì)大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使改進(jìn)設(shè)計(jì)的能耗測(cè)量系統(tǒng)具有一定的合理性和可行性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由照明管理系統(tǒng)模塊、通信模塊、隨機(jī)存儲(chǔ)SRAM、Flash閃存模塊、TFT-LCD液晶顯示模塊、電源電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。對(duì)各模塊進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)硬件性能。具體改進(jìn)過(guò)程描述如下：

2.1 照明管理系統(tǒng)模塊

LED的燈陣能量測(cè)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(jī)用來(lái)集中監(jiān)視管理，若干臺(tái)下位機(jī)分散至現(xiàn)場(chǎng)完成分布式控制，上位機(jī)和下位機(jī)間利用控制網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)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(cè)控模塊。控制中心的責(zé)任是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，其中遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制和運(yùn)行信息的采集與監(jiān)測(cè)。區(qū)域控制模塊的責(zé)任是對(duì)管轄區(qū)域內(nèi)的照明進(jìn)行控制、將管理中心的指令進(jìn)行解析以及狀態(tài)檢測(cè)。區(qū)域控制模塊與管理中心間通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)控模塊與區(qū)域控制模塊間采用無(wú)線通信的方式實(shí)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(biāo)準(zhǔn)接口，主控器利用RS232和無(wú)線通信模塊進(jìn)行連接，能夠方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信監(jiān)測(cè)。而系統(tǒng)中RS485接口是用來(lái)連接LED燈陣亮度檢測(cè)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(fù)載能夠達(dá)到10 Mbps，還能夠?qū)崿F(xiàn)功耗關(guān)斷。另外SP3485的驅(qū)動(dòng)器是差分輸出，所輸出的ISC最大為250 mA，在共模范圍內(nèi)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(lái)完成主控器和調(diào)光器之間的調(diào)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(chǔ)上進(jìn)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(jī)存儲(chǔ)SRAM

LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)控制器的外擴(kuò)型號(hào)是IS61LV51216的SRAM芯片。其結(jié)構(gòu)是512K*16位字長(zhǎng)，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(chǔ)空間的需要。給出隨機(jī)存儲(chǔ)SRAM電路圖如圖3所示。

圖3 SRAM隨機(jī)存儲(chǔ)電路

2.4 Flash閃存模塊

對(duì)于LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的主控制器的閃存選取的是SPI Flash，其型號(hào)為W25Q64芯片，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)。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(diǎn)像素均是由薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)的。該種屏顯有高速度和高亮度以及高對(duì)比度等優(yōu)點(diǎn)[8]。該控制器中使用2.8寸顯示完成系統(tǒng)LED燈陣能耗測(cè)量狀態(tài)以及相關(guān)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(shí)還有隨時(shí)觸摸壓力測(cè)量的功能。它通過(guò)SPI3線對(duì)通信接口進(jìn)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(gè)硬件電路供給電源，其中包含主控芯片以及各個(gè)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(qū)動(dòng)3A負(fù)載，輸出3.3V、5V和12V以及15V的電壓。LM2576S-5.0能夠?qū)?4V電壓轉(zhuǎn)化成5V，圖中的LM1117再把5V輸入電壓轉(zhuǎn)化成3.3V。三種電壓一起為各電路供應(yīng)電量。SS14二極管的主要作用是對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，二極管1N5822的作用就是對(duì)LED燈陣電流傳輸?shù)谋Ｗo(hù)以及控制電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)和轉(zhuǎn)換的時(shí)間，以降低LED燈陣的照明能耗。

2.7 驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于LED的調(diào)光，當(dāng)前主要的方式有：模擬調(diào)光和可控硅斬波以及PWM調(diào)光。其中模擬調(diào)光利用調(diào)節(jié)電阻的阻值來(lái)控制電流的大小實(shí)現(xiàn)調(diào)光，該方法雖然可避免噪聲，不過(guò)增大了系統(tǒng)的能耗。其次可控硅采用調(diào)節(jié)開放角大小的形式調(diào)節(jié)電壓和功率，實(shí)現(xiàn)調(diào)光，但因?yàn)榉蔷€性元件會(huì)導(dǎo)致諧波污染[9]。而PWM，也就是脈寬調(diào)制，它是一種通過(guò)簡(jiǎn)約的數(shù)字脈沖，采用控制脈寬就能對(duì)平均輸出的電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)光。另外其電流的調(diào)節(jié)能在零至最大間反復(fù)地切換，調(diào)光效果很好，非常適用在無(wú)級(jí)調(diào)光中。由此本文采用PWM控制LED調(diào)光的方式完成調(diào)光，執(zhí)行PWM所控制的LED燈陣功率開關(guān)的元件，選取驅(qū)動(dòng)電流小，且開關(guān)變換速度快的MOS器件，以降壓型的電流調(diào)節(jié)器LM3409HV當(dāng)作驅(qū)動(dòng)電路的控制器。控制器的電路輸入電壓為48V時(shí)，能夠驅(qū)動(dòng)10個(gè)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(guān)頻率400kHz。LM3409HV能通過(guò)EN口將PWM信號(hào)接入，控制MOS器件的開關(guān)頻率，以控制輸入LED燈陣的平均電流，以達(dá)到調(diào)光的目的。

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的軟件能耗測(cè)量流程圖如圖6所示，系統(tǒng)先對(duì)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(cè)量流程圖

圖6中，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)出沒(méi)有人工手動(dòng)進(jìn)行操作時(shí)，則進(jìn)一步對(duì)LED燈陣周圍環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，也就是能耗測(cè)量是否正常，當(dāng)控制異常時(shí)，則按照異常的處理程序報(bào)警。如果周圍環(huán)境正常，LED燈陣能花測(cè)量系統(tǒng)則開始對(duì)CAN總線通信進(jìn)行檢測(cè)，假設(shè)一些正常，那么將智能控制系統(tǒng)的主程序開啟，對(duì)各個(gè)子控制器傳輸無(wú)級(jí)調(diào)光指令，將調(diào)光狀態(tài)傳送至上位機(jī)進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)調(diào)光控制結(jié)束之后，系統(tǒng)的延時(shí)將時(shí)間設(shè)定后，循環(huán)上述流程。

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的整體性能，需采用改進(jìn)的大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在Simulink上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自于某大型商場(chǎng)的LED燈陣大屏。分別在以下方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

1)將改進(jìn)設(shè)計(jì)的大功率LED燈陣照能耗測(cè)量系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)分別應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上，在相同的單位時(shí)間內(nèi)，觀察兩種不同系統(tǒng)對(duì)LED燈陣能耗測(cè)量精度。

2)電源電壓的轉(zhuǎn)換次數(shù)和轉(zhuǎn)換時(shí)間作為大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)性能的驗(yàn)證指標(biāo)之一，電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)多會(huì)增加能耗，轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)大大消耗LED能量，為此對(duì)不同系統(tǒng)在這兩方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察不同系統(tǒng)的運(yùn)行能耗情況。

能耗測(cè)量精度是檢驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)的大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵指標(biāo)，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行能耗測(cè)量精度測(cè)試，對(duì)兩種不同系統(tǒng)的能耗測(cè)量精度進(jìn)行記錄，測(cè)得兩種不同系統(tǒng)的能耗測(cè)量精度對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種不同系統(tǒng)能耗測(cè)量精度對(duì)比結(jié)果

由圖7看出，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)大功率LED燈陣進(jìn)行能耗測(cè)量，其測(cè)量精度在0～40s的過(guò)程中呈上升趨勢(shì)，但上升幅度較小，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為40s時(shí)，能耗測(cè)量精度最大為18%，在40～80s時(shí)能耗測(cè)量精度呈下降趨勢(shì)，平均能耗測(cè)量精度約為15%。采用改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)大功率LED燈陣進(jìn)行能耗測(cè)量，其測(cè)量精度在0～40s的過(guò)程中呈大幅度上升趨勢(shì)，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間為40s時(shí)，能耗測(cè)量精度達(dá)到最大，為80%。隨后能耗測(cè)量精度會(huì)隨著時(shí)間的增加而下降，平均能耗測(cè)量精度約為60%。對(duì)比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的能耗測(cè)量精度可得，改進(jìn)系統(tǒng)的起始能耗測(cè)量精度大于傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗測(cè)量精度，且改進(jìn)系統(tǒng)的平均能耗測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均能耗測(cè)量精度。充分說(shuō)明改進(jìn)系統(tǒng)的能耗測(cè)量精度更高，驗(yàn)證了改進(jìn)系統(tǒng)的有效性。

為了檢測(cè)所設(shè)計(jì)的大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行能耗情況，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)大功率LED燈陣的能耗進(jìn)行電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)的測(cè)量，電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)的增加會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行能耗增加，測(cè)得兩種不同系統(tǒng)電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種不同系統(tǒng)電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)對(duì)比結(jié)果

分析表1可知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)大功率LED燈陣的能耗進(jìn)行測(cè)量，其電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)隨著時(shí)間的增加，大幅度增加，平均電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)為10次。采用改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)大功率LED燈陣的能耗進(jìn)行測(cè)量，其電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)隨著時(shí)間的增加上升幅度極小，平均電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)為4次。對(duì)比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的電源電壓轉(zhuǎn)化次數(shù)可得，改進(jìn)系統(tǒng)的平均電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)，且小于傳統(tǒng)系統(tǒng)平均電源電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)的一般，說(shuō)明改進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗更低，驗(yàn)證了改進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)用性。

電源電壓的轉(zhuǎn)換時(shí)間是影響運(yùn)行能耗的另一關(guān)鍵因素。因此分別對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的電源電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得兩種不同系統(tǒng)的電源電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 兩種不同系統(tǒng)電源電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間對(duì)比結(jié)果

分析表2可得，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)大功率LED燈陣的能耗進(jìn)行測(cè)試，其電源電壓的轉(zhuǎn)換時(shí)間隨著頻率的增大而大幅度增加，平均電源電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間為17s。采用改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)大功率LED燈陣的能耗進(jìn)行測(cè)試，其電源電壓的轉(zhuǎn)換時(shí)間隨著頻率的增加，上升幅度很小，平均電源電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間為5s。對(duì)比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的電源電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間可知，改進(jìn)系統(tǒng)的平均電源電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均電源電壓轉(zhuǎn)化時(shí)間，僅是傳統(tǒng)系統(tǒng)平均電源電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間的三分之一，充分說(shuō)明改進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗更低，驗(yàn)證了改進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)用性。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，改進(jìn)設(shè)計(jì)的大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度高，運(yùn)行能耗低，具有一定的有效性和實(shí)用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿足我國(guó)LED燈陣節(jié)能設(shè)計(jì)的需求，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)大

功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)。充分分析大功率LED燈陣能耗測(cè)量的功能需求，制定大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的總體架構(gòu)，依據(jù)總體架構(gòu)，改進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分的照明管理系統(tǒng)模塊、通信模塊、隨機(jī)存儲(chǔ)SRAM、Flash閃存模塊、TFT-LCD液晶顯示模塊、電源電路和驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)系統(tǒng)軟件部分的能耗測(cè)量功能進(jìn)行優(yōu)化開發(fā)，完成大功率LED燈陣能耗測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)測(cè)量精度高，運(yùn)行能耗低，滿足能耗測(cè)量的需求。但在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面尚有不足，未來(lái)將針對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為L(zhǎng)ED燈陣節(jié)能設(shè)計(jì)的發(fā)展提供借鑒依據(jù)。

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