林龍森

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)解決的關(guān)鍵問題

現(xiàn)在，許多LED燈具需要集中群控.比如家居中的吸頂主燈、筒燈（可能不止一路）、氛圍燈帶、背景射燈等，屬于典型的燈具群控案例.LED燈具種類多、應(yīng)用范圍廣［1］，類似的LED控制系統(tǒng)需要非常多的控制線路和開關(guān)，如果燈具本身還具有“色溫調(diào)節(jié)”“亮度控制”等功能，其復(fù)雜程度將成倍增加，對(duì)布局和施工等方面提出了更高的要求.

目前，解決LED群控的線路簡化問題大致有無線遙控［2-3］和局域組網(wǎng)［4］等方案.這些方案或多或少對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、建筑格局和設(shè)施設(shè)備有一定的要求，且存在輻射、節(jié)能等方面的問題［5］.本文采用的電力載波方案將所有的控制信號(hào)調(diào)制到電力線上，在升級(jí)功能、節(jié)省線路的同時(shí)也避免了上述缺陷.

1.2 系統(tǒng)組成原理

系統(tǒng)在不增加布線難度和成本的情況下，簡化設(shè)計(jì)，并增加燈具的色溫控制、亮暗調(diào)節(jié)等功能，通過開關(guān)和旋鈕，利用電力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)LED的集群控制.系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括如下幾個(gè)部分：LED恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、色溫和亮度調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)、電力載波調(diào)制解調(diào)模塊設(shè)計(jì)、系統(tǒng)核心控制單元設(shè)計(jì).子節(jié)點(diǎn)的組成框圖如圖1所示.

圖1 子節(jié)點(diǎn)組成框圖

作為一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的群控系統(tǒng)，從組成上看，不同子節(jié)點(diǎn)僅是具體參數(shù)略有差別.由于信號(hào)通過電力線傳輸，主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)都需要有電力載波模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制解調(diào).主節(jié)點(diǎn)檢測(cè)用戶的人機(jī)交互動(dòng)作，轉(zhuǎn)換成控制命令和數(shù)據(jù)，并根據(jù)協(xié)議和各個(gè)子節(jié)點(diǎn)通信.子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收相應(yīng)信號(hào)，控制LED恒流驅(qū)動(dòng)和色溫/亮度調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的控制.

2 LED驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

2.1 LED恒流驅(qū)動(dòng)與亮度調(diào)節(jié)

（1）LED驅(qū)動(dòng)芯片.大部分LED恒流驅(qū)動(dòng)屬于PWM控制的降壓型電路［6］.考慮到系統(tǒng)增加了色溫和亮度調(diào)節(jié)等方面的功能，LED驅(qū)動(dòng)單元至少需要滿足以下三個(gè)方面的要求.首先，LED采用恒流驅(qū)動(dòng)才能保證讓燈芯工作在舒適區(qū)，并使發(fā)光穩(wěn)定.其次，為了節(jié)省電路環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)電路一般直接采用220V市電為系統(tǒng)供電，LED的電源通過市電降壓獲得.最后，系統(tǒng)需要色溫、亮度調(diào)節(jié)，因此輸出的恒流工作點(diǎn)需要能夠按需設(shè)定和調(diào)整.

綜合考慮上述因素，LED的驅(qū)動(dòng)芯片選擇了BP2838，芯片內(nèi)部集成有高壓功率場(chǎng)效管，并通過邏輯控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)效管的開關(guān)控制.芯片適用于85Vac～265Vac全范圍輸入電壓，允許市電整流直接輸入.同時(shí)，芯片支持PWM調(diào)光，擁有高精度電流采樣和多重保護(hù)功能，滿足恒流設(shè)定和輸出功率調(diào)節(jié)的需求.集成式的功能能夠降低整機(jī)成本，提高效率.

（2）LED恒流電路設(shè)計(jì).圖2為BP2838的調(diào)光電路.BP2838市電通過橋式整流濾波實(shí)現(xiàn)220V的AC-DC變換，然后利用內(nèi)部功率開關(guān)和L1、D2、C4組成BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降壓.Rcs電阻對(duì)經(jīng)過內(nèi)部場(chǎng)效管的電流進(jìn)行采樣，利用運(yùn)放與內(nèi)部400mV的基準(zhǔn)源進(jìn)行比較運(yùn)算，控制場(chǎng)效管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào).因此，外接LED燈串的恒流點(diǎn)與采樣電阻緊密相關(guān).同時(shí)，系統(tǒng)的儲(chǔ)能電感也需要設(shè)計(jì)和調(diào)試，使其和整機(jī)工作狀態(tài)匹配.

圖2 BP2838的LED恒流電路

例如，本系統(tǒng)采用的是220mA的燈珠，按燈串的并聯(lián)路數(shù)為2，串聯(lián)的燈珠數(shù)為20顆計(jì)，由于峰值電流Ipk為LED電流ILED兩倍，需要配置的恒流電阻系統(tǒng)的儲(chǔ)能電感LED負(fù)載的電壓，燈珠的額定電壓約3V，VLED約為60V；母線電壓VIN以373V計(jì)；f是芯片的工作頻率，隨著輸入電壓的升高而有所升高，這里以40kHz計(jì).最終估算得到L的電感量約為2.6mH.在具體應(yīng)用時(shí)，按照工程的方法對(duì)電路作了一些微調(diào)處理.如在LED兩端并聯(lián)電阻來平衡LED燈的電流（R5、R6、R7）；電阻 Rcs改為3個(gè)電阻并聯(lián)（R8、R9、R10），提升了取樣的功率，易于對(duì)LED燈電流作出微調(diào).

2.2 LED色溫可調(diào)和亮度控制

LED色溫可調(diào)通過RGB多基色調(diào)節(jié)技術(shù)［7］或者冷暖混光調(diào)節(jié)［8］技術(shù)實(shí)現(xiàn).相比較而言，冷暖混光的方法技術(shù)簡單、成本低［9］.在對(duì)色溫沒有很高精度要求的場(chǎng)合，該方法是最佳選擇.

因此，系統(tǒng)通過兩個(gè)BP2838芯片控制冷光（13000K左右）和暖光（3100K左右）兩路燈串.燈串的具體串并聯(lián)個(gè)數(shù)由燈具的實(shí)際應(yīng)用決定（見圖3）.

圖3中，單片機(jī)控制器通過調(diào)節(jié)冷、暖光的LED輸出PWM信號(hào)，控制混光的具體比例來調(diào)節(jié)整個(gè)燈具的色溫.在燈板的PCB布局中，需要將冷、暖光燈珠混合交叉布置，并選擇合適的燈罩才能得到較好的顯色效果.

圖4 過零檢測(cè)FSK調(diào)制解調(diào)電路

3 電力載波模塊

3.1 基礎(chǔ)電力載波模塊與通訊模式

電力載波芯片選用宏迅電子的HLPLCS520，芯片集成了FSK調(diào)制器、DSP處理器、電源管理器、UART 模塊等單元［10］.系統(tǒng)利用芯片，采用FSK（頻移鍵控）的方式將信號(hào)調(diào)制到電力線上，同時(shí)，將電力線上的信號(hào)通過濾波、放大，解調(diào)出需要的信號(hào).因此，整個(gè)基礎(chǔ)電力載波模塊主要包括發(fā)送功率放大與耦合、接收信號(hào)退耦與濾波放大、芯片控制與過零檢測(cè)三個(gè)部分.

設(shè)計(jì)的電力載波模塊能夠方便與UART協(xié)議接口，可以設(shè)置為兩種通訊模式，普通模式通訊和過零觸發(fā)通訊.普通模式屬于實(shí)時(shí)通訊，易產(chǎn)生干擾，限制了布線環(huán)境和布線距離.過零觸發(fā)通訊只在零點(diǎn)信號(hào)有效時(shí)通訊，但市電頻率50Hz，過零觸發(fā)通訊產(chǎn)生的10ms數(shù)據(jù)間隔依然可以滿足LED控制的響應(yīng)要求，完成人機(jī)交互.因此，本設(shè)計(jì)采用過零點(diǎn)傳輸通訊模式.圖4為帶光耦過零檢測(cè)輸出的調(diào)制解調(diào)電路.

圖4中50Hz的220V電力信號(hào)經(jīng)過整流，驅(qū)動(dòng)光耦I(lǐng)C4，獲得過零信號(hào)Zin進(jìn)入芯片13腳.電子載波芯片根據(jù)UEset、Zin等控制信號(hào)，通過與單片機(jī)的通信數(shù)據(jù)接口（TXD、RXD），調(diào)制和解調(diào)電力線上承載的數(shù)據(jù)信息.

3.2 信號(hào)處理

FSK調(diào)制后的信號(hào)由HLPLCS520的10腳FSKOUT輸出，但由于功率不足，需要放大才能驅(qū)動(dòng)耦合變壓器（見圖5）.

圖5 電力載波信號(hào)功率放大輸出電路

圖5中輸出信號(hào)經(jīng)過場(chǎng)效管Q1、Q2推挽輸出實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功率放大，其中 R5、R6、D3、D4為場(chǎng)效管保護(hù)和泄放電路，D5、D6為續(xù)流二極管.信號(hào)經(jīng)過電感L1、L2，電容 C2、C5濾波，驅(qū)動(dòng)耦合變壓器，將FSK信號(hào)耦合至電力線上.

同樣，識(shí)別電力線上承載的信號(hào)也需要退耦、濾波和放大（見圖6）.

圖6 電力載波信號(hào)輸入濾波放大電路

耦合變壓器截取來自電力線的交變信號(hào)，通過設(shè)計(jì)的窄帶濾波器（R20、C15、L4、C13、L3、C16），檢出符合要求頻段的FSK信號(hào).該信號(hào)過于微弱，因此經(jīng)過 Q3、Q4、Q5三級(jí)共射放大和隔離（C14、C11、C12）將信號(hào)放大后加載至芯片F(xiàn)SKIN（16、17）腳.芯片負(fù)責(zé)將此信號(hào)解調(diào)，回成RS232信號(hào).

3.3 基于電力載波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

利用設(shè)計(jì)的電力載波模塊，系統(tǒng)以控制開關(guān)為核心，用星型拓?fù)涞哪Ｊ綄?shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)LED燈具的群控（見圖7）.

圖7 系統(tǒng)的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)控制方式屬于一主多從的模式，所有的操控聽從于主控制開關(guān)的指令.因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配有電力載波模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，通過控制器協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作.

在通信的過程中，所有的節(jié)點(diǎn)都共享總線，因此需要遵循一套協(xié)議，保證數(shù)據(jù)通信的有效和順暢.

3.4 產(chǎn)品的自定義協(xié)議

在基于電力載波的群控LED星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，信息被整理成數(shù)據(jù)包進(jìn)行通訊.數(shù)據(jù)包以自行定義的協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)幀.該協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖8 通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

其中，幀長度部分占用1個(gè)字節(jié)，它表示整個(gè)數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)（包括本身的字節(jié)）.站號(hào)部分占用1個(gè)字節(jié).系統(tǒng)為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)置一個(gè)站號(hào)，接收方只接收屬于自己站點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀.命令/數(shù)據(jù)部分用于傳遞命令或數(shù)據(jù)，視具體通訊要求.系統(tǒng)主要用到的命令字如表1所示.有的命令字后將會(huì)跟隨數(shù)據(jù).如開燈命令將會(huì)跟隨1個(gè)字節(jié)的色溫?cái)?shù)據(jù)、1個(gè)字節(jié)的亮度數(shù)據(jù).

表1 主要命令字表

在數(shù)據(jù)通訊過程中，要實(shí)時(shí)保證“一主多從”的通訊模式，防止總線沖突和競(jìng)爭(zhēng).通信開始時(shí)，所有子站點(diǎn)處于接收待機(jī)態(tài).主控站點(diǎn)群發(fā)公共控制命令（開始），接收到命令的對(duì)應(yīng)接收站點(diǎn)（LED燈）開啟接收模式，其他站點(diǎn)關(guān)閉接收通道.接下來，主控站點(diǎn)就可以對(duì)目標(biāo)接收站點(diǎn)實(shí)行私下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信.當(dāng)通信結(jié)束時(shí)，主控站點(diǎn)群發(fā)公共控制命令（結(jié)束），所有子站點(diǎn)再次處于接收待機(jī)態(tài).如上所述，通訊流程大體分為開始、通信、結(jié)束三個(gè)環(huán)節(jié)，涉及到單片機(jī)TB8、SM2等多個(gè)通信控制位，按照通訊要求，每個(gè)環(huán)節(jié)的具體配置如表2所示.

表2 通信環(huán)節(jié)與配置

4 STC8主節(jié)點(diǎn)控制模塊設(shè)計(jì)

4.1 主節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)組成

主節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖如圖9所示，控制核心為STC8單片機(jī)，負(fù)責(zé)讀取輸入的開關(guān)信號(hào)和編碼信號(hào)，控制指示燈，并通過電力載波模塊和其他燈具通信.在系統(tǒng)中，液晶顯示屬于選裝件，配上液晶可以使主控設(shè)備有直觀的顯示，人機(jī)交互效果會(huì)更好.

圖9 主節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

主控能夠單獨(dú)控制各個(gè)LED燈具，包括色溫和亮度調(diào)節(jié).目前，系統(tǒng)支持四路LED燈控制，分別是主燈、筒燈、射燈、燈帶.為了控制方便，為每一路單獨(dú)設(shè)置有按鍵，每一個(gè)開關(guān)都帶有各自的LED指示，當(dāng)進(jìn)入該燈的操作模式時(shí)，LED亮起，表示可以對(duì)燈進(jìn)行色溫調(diào)節(jié)和亮暗控制操作.

主節(jié)點(diǎn)是人機(jī)交互的重點(diǎn)，也是整個(gè)群控的核心控制部分.為了使人機(jī)交互更直觀、便捷、有效，用戶涉及到的操作對(duì)象（按鍵和開關(guān)）要盡量少，而能夠控制的功能又要盡量多.系統(tǒng)采用了用戶體驗(yàn)良好的旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)，將全部LED的亮暗和色溫調(diào)節(jié)功能整合到一個(gè)旋鈕編碼開關(guān)上.同時(shí)又保留4個(gè)獨(dú)立按鍵分別控制4個(gè)LED燈的開關(guān)，提高使用的便捷性.系統(tǒng)增設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)負(fù)責(zé)色溫和亮度的調(diào)節(jié).該編碼開關(guān)提供一個(gè)基礎(chǔ)按鍵功能和無級(jí)旋轉(zhuǎn)功能.開關(guān)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過兩路信號(hào)的相位差，識(shí)別左右旋方向，記錄旋轉(zhuǎn)動(dòng)作信號(hào)［11］.

4.2 主節(jié)點(diǎn)的工作流程

主節(jié)點(diǎn)按鍵交互及其工作流程如圖10所示.

圖10 主節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

在該流程中，普通按鍵開關(guān)的檢測(cè)優(yōu)先級(jí)最高.開關(guān)負(fù)責(zé)燈具的亮暗，以及是否讓燈具進(jìn)入受控模式.旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的檢測(cè)優(yōu)先級(jí)次之，并且只有在燈具亮起，且進(jìn)入受控模式時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)才有效.受控模式在長時(shí)間沒有接收到有效操作的情況下，自動(dòng)退出.

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)與群控系統(tǒng)以電力載波作為設(shè)備間的通訊手段，用冷暖混光的方式通過PWM調(diào)節(jié)色溫和亮度，在提升功能的同時(shí)有效地節(jié)省了布線的人力物力成本.產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一套適合星型拓?fù)涞摹耙恢鞫鄰摹蓖ㄓ崊f(xié)議，除了可應(yīng)用于LED燈群控等智能家居，在局域環(huán)境監(jiān)測(cè)、舞臺(tái)燈光等方面也有一定的應(yīng)用范圍，有較大的應(yīng)用前景.