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摘要 摘要 题名：基于u s b 的l e d 灯光造型控制器的研究与开发 硕士研究生姓名：张道 导师姓名：白瑞林教授 专业名称：检测技术与自动化装置 近年来，随着照明技术的发展，新型灯具的景观照明效果从简单可变演化为动态可变。绿色节 能环保世纪的到来，l e d 半导体作为一种新的光源形式开始越来越广泛虑用于照明领域。数字化技 术在l e d 领域的应用，使得l e d 灯光景观更加多姿多彩，也为智能控制提供了技术条件。 u s b 总线作为一种新型计算机总线以其即插即用、热插拔、接口体积小巧等优点给计算机外设 连接技术带来了重大变革。u s b 技术在数据传输和数据存储等领域均具有很好的应用前景，嵌入式 u s b 系统的研究和开发将进一步拓宽u s b 技术的应用领域，也为嵌入式系统的应用开发带来全新的 天地。现代计算机技术在l e d 灯光照明领域的应用，不但可以合理规划和管理景观照明，而且能发 挥l e d 灯光容易控制的优势，使得l e d 灯光造型与自然、环境、人相适应，这对于推进l e d 灯光控 制系统的智能化，同样具有深刻的现实意义。 针对上述情况，本文在分析了国内外l e d 灯光造型控制器优劣的基础上，提出了一种基于u s b 的l e d 灯光造型控制器的设计方法。该控制器以c o l o r p i x e l 智能灯光控制系统为技术背景，采用基 于a r m 7 内核的m c l 卜一l p c 2 1 4 8 ，配合精确曼彻斯特编码生成器c p l d 和大容量数据存储器 n a n df l a s h 构成系统主要控制电路，并在功能上实现了同步、同放和存储三种工作方式。 本文共六章，可分为四个部分。第一部为第1 2 章，主要内容是调查l e d 景观灯光控制技术的 发展状况，分析国内外主流产品的优劣，对本设计方案进行可行性分析，细化硬件配置和软件功能。 第二部为第3 4 章，分析了控制器的硬件电路设计和软件设计。第三部为第5 章，在对开发和调试 工具作了简要介绍的基础上，测试了代码的软件功能，并进行了系统联调。第6 章是第四部分，总 结了控制器设计过程中的成果和对后续t 作的展望。 文章不仅详细论述了基于u s b 的l e d 灯光造- 犁控制器的整个开发过程，也从硬件设计、软件编 写、u s b 协议与固件驱动开发等多方面进行了具体的研究分析与论证。测试结果表明，本l e d 控制 器通过u s b 总线通信，在同步工作方式时传输速率达8 m b p s ；在功能上，实现了同步、回放和存储 三种工作方式的解决方案；经过反复测试，具有良好的可靠性和稳定性；在控制技术上，有一定的 创新性。 关键词：通用串行总线；l e d 灯光；a r m 7 ；复杂可编程逻辑器件；文件系统 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl i g h t i n gt e c h n o l o g y , t h ee f f e c t so fn e wl a n d s c a p el i g h t i n g e v o l u t e sf r o ms i m p l ev a r i a b l et od y n a m i cv a r i a b l e w i t ht h ec o m i n go fg r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n c e n t u r y , t h el e ds e m i c o n d u c t o rb e g i n si n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fl i g h t i n ga san e wf o r mo f l i g h t t h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fl e dl i g h t i n gm a k e st h el e dl a n d s c a p em o r e c o l o r f u l ，a sw e l la sp r o v i d e st e c h n i c a lc o n d i t i o n sf o rt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo fl e d a san e wc o m p u t e rb u s ，u s bi sac o m p a c ta d v a n t a g e st ot h ec o m p u t e rp e r i p h e r a lc o n n e c t i o n t e c h n o l o g yb r i n gs i g n i f i c a n tc h a n g eb e c a u s ei t sp l u g - a n d p l a y ，h o t - p l u g g a b l ei n t e r f a c e u s bt e c h n o l o g y h a sg o o dp r o s p e c t si nd a t at r a n s m i s s i o na n dd a t as t o r a g e ，a n do t h e rf i e l d s e m b e d d e du s bs y s t e mr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n tw i l lf u r t h e rt h eu s bt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n s ，a sw e l la sb r o u g h tn e ww o r l da te m b e d d e d s y s t e ma p p l i c a t i o n w i t ht h ea p p l i c a t i o no fm o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g ya tl e dc a nn o to n l yr a t i o n a lp l a n f o rt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n tt ol a n d s c a p el i g h t i n g ，b u ta l s om a k ef u l lu s eo fn e wl i g h t i n gt e c h n o l o g y a d v a n t a g e s i tm a k e sl a n d s c a p el i g h t i n gm o r ef i tf o rt h en a t u r a lw o r l d ，t h ee n v i r o n m e n ta n dp e o p l e i n t e r n a l i z e da saw h o l e ，w h i c hh a sp r o f o u n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oap r o g r a mf o rl e dl i g h t i n gi n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e mm o d e l i n g i nr e s p o n s et ot h e s ed e v e l o p m e n t s ，t h ea r t i c l ea n a l y s i st h el e dl i g h t i n gm o d e l i n gc o n t r o l l e r sa n d p r o p o s e sau s b - b a s e dl e dl i g h t i n gc o n t r o l l e rd e s i g n t h ec o n t r o l l e ri sam e m b e ro fc o l o r p i x e l i n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m ，b a s e do nt h ea r m 7c o r em c u ，m a n c h e s t e rc o d ep r e c i s i o ng e n e r a t o r ， a n dal a r g e c a p a c i t yd a t as t o r a g e i ta c h i e v e st h r e ew o r km e t h o d s ，s y n c h r o n o u s ，p l a y b a c ka n ds t o r a g e t h ep a p e r , at o t a lo fs i xc h a p t e r sc a nb ed i v i d e di n t of o u rp a r t s a tt h ef i r s t2c h a p t e r s ，t h em a i n c o n t e n ti si n v e s t i g a t el e dl i g h t i n gt e c h n o l o g yl a n d s c a p et h ed e v e l o p m e n t ，a n a l y s i st h ep r o sa n dc o n so f m a i np r o d u c t sa th o m ea n da b r o a d ，f e a s i b i l i t ya n a l y s i so fl e dc o n t r o l l e r , d e t a i lh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n a n ds o f t w a r ef e a t u r e s p a r t i i ，c h a p t e r3a n d4 ，a n a l y s i st h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no f c o n t r o l l e r p a r th i ，c h a p t e r5 ，i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n gt o o l sb r i e f l y ，t e s tt h ec o d es o f t w a r e f u n c t i o n a l i t ya n dt h es y s t e m c h a p t e r6i st h ef o u r t hp a r t , s u m m e su pt h er e s u l t so fc o n t r o l l e rd e s i g n p r o c e s sa n df o l l o w u pw o r kp r o s p e c t s t h ea r t i c l en o to n l yd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fl e dl i g h t i n gc o n t r o l l e rb a s e do nt h eu s b i nd e t a i l ，b u ta l s or e s e a r c h sa n da n a l y s i s e sf r o mh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，u s ba g r e e m e n t a n df i r m w a r ed r i v e rd e v e l o p m e n t t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h el e dc o n t r o l l e rs p e e d su pt 08m b p sv i au s b b u sc o m m u n i c a t i o ni nt h ef u n c t i o no fs y n c h r o n i z a t i o nw o r km o d e ，h a sr e a l i z e dt h et h r e ew o r km e t h o d s ， s y n c h r o n i z a t i o n ，p l a y b a c ka n ds t o r a g e a f t e rr e p e a t e dt e s t s ，t h ec o n t r o l l e rh a sag o o dr e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t y i th a sa ni n n o v a t i o ni nt h et e c h n i c a lc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：u s b ；l e dl i g h t i n g ；a r m 7 ；c p l d ；f a t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 7 碰 日 期： 迎墨：墨：! ! 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 巡 每私孤日 p q 8 弓if 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 在现代环境中，对灯光照明的质量要求越来越高，照明不再是单纯的把灯点亮，而是希望能利用 灯光创造赏心悦目的艺术氛围，这就需要对灯光进行必要的控制。传统灯光控制的意义，就是人们根 据对灯光环境的不同要求，对灯光的亮度进行控制，以保证良好的光照条件，同时义能最大限度的节 约电能。在装饰和艺术照明中，通过对灯光的扬抑、隐现、虚实、动静以及投光的角度和照射范罔的 控制，使灯光建立起构图、秩序和二肖奏，能充分发挥出灯光的艺术表现力。灯光控制的方式，就是想 要体现出能对灯具的亮度和色彩的控制，如果想要达到使灯光的变化、色彩、亮度以及音乐节奏等 各种艺术元素相协调，就必须采用复杂的自动控制系统。传统的灯光的控制方式有以下几种，如 表1 1 所示。 表1 1 传统灯光的控制方式 t a b 1 1m o d eo ft r a d i t i o n a ll i g h t i n gc o n t r o l 序号 类别控制方式 原理优点缺点 l 机械式面板开关 直接控制电源开关，达到控制灯 控制简单、技术简单 控制功率小、线路 光的亮灭繁琐、损耗大 2 断路器直接控制电源开关，达到控制灯控制简单、可控制人功 不能控制单灯、节 光的亮灭率灯具、线路简单 能效果差 3 电子式定时器通过定时器来控制灯具电源的开町以远端控制要人工改变设定值 合 4光电感应通过感应日光强度的变化来控制可以使节能效果和照明稳定件受电子器件 电源的开合效果达到平衡质量的影响 5 智能式智能控制通过伞数 、模块化、分布式的 灯光变化效果程序化，系统庞人、技术复 系统网络系统来控制灯具场景变化效果复杂 杂、成本高 随着照明技术的发展，光源也从开始的白炽灯发展到大功率的金属卤素投光灯，但是传统光源 存在使片j 寿命短，功耗大等缺点。所以，进入二十一世纪以来，现代社会文明开始向着可持续性的 节能环保的方向发展，l e d 作为一种新的光源形式开始越来越广泛应用于照明领域，l e d 光源具有寿 命长，功耗低，安全低压供电等优点。随着l e d 光效的不断提高，用它替代传统的光源止在变为一种现 实。特别是超高亮度l e d 和大功率l e d 的开发成功，使l e d 开始应用于照明领域。目前在照明工程领 域中，l e d 主要应用于建筑立面、外观轮廓装饰，大型的广场、公园的道路、草坪的景观亮化和广告 招牌灯箱等照明工程中。 为了提高l e d 光源的实用性，即在实际照明工程运用中，用l e d 提供照明效果的可视性和观赏 性，l e d 控制技术显得越来越重要。由于l e d 是利用半导体场效应发光的原理，配合不同材料，可以 发出各种不同波长可见光，所以l e d 具有光色纯正，显色性好，开关响应速度快，容易控制等技术特 点，使景观照明由过去的单色，静态的效果，变为动态，多彩的照明效果成为可能。现在l e d 已越来越 多地应用到信号标识照明、道路上的交通信号灯、建筑物中的诱导灯和勾勒轮廓的立面照明中了。 目前，城市广场、周林和步行街道的庭圃灯光的多彩照明灯光，许多都是采用超高亮度的l e d 后产 生出来的。l e d 以其优异的：仃能特点和极长的使用寿命，深受灯光设计师和业主们青睐。l e d 灯光系 统已经成为现代信息化城市一道靓丽的风景线幢3 。为了使l e d 灯光可以达到动态多彩的变化效果， 江南大学硕十学位论文 采用过去传统灯光控制方式已经不能满足现代的l e d 照明效果的要求，所以，各种基于计算机控制 技术的l e d 灯光照明系统应运而生! 提高l e d 照明灯具的控制技术是提升l e d 灯具应用水平的关键所在1 。目前，l e d 灯光的控制 方式主要有以下几种： ( 1 ) 单机控制方式使用一台炫彩灯光控制器，厂家把制作好的灯光变化花样文件写到炫彩 灯光控制器的存储器中。通过控制器的c p u 读取存储器中的花样文件，在l e d 灯具上重现设计的花 样文件。 ( 2 ) 联网控制方式通过局域网与p c 连接实现联网控制，实时显示p c 机上显示的图像，采 用这种连接方式使系统的连接更加灵活方便，可以控制大量的l e d 灯饰。 以上两种控制l e d 的方式各有优缺点，单机控制方式的优点是结构比较简单，缺点是如果用户 想更改设计花样，就必须依靠厂家。联网控制方式的优点是能够控制较大的系统，缺点是必须p c 机 实时参与控制，并且在p c 机上还要设置很多的参数，操作比较繁琐，也不利于用户d i y 。针对这些 现实情况，本文提出了一种基于u s b 的l e d 灯光造型控制器的设计设计方案，其设计目标在于实现 对l e d 灯光实现同步和回放控制两种控制方式的解决方案，这种思想在中小型l e d 灯光控制领域有 一定的新颖性。 1 2 国内外研究现状 传统光源存在使用寿命短，功耗大等缺点。而l e d 光源具有寿命跃、功耗低、亮度稳定、安全 和低压供电等优点。最早被用于电子仪器上或其它机械上的指示灯。随着时间的推移，l e d 技术也 得到了突飞猛进的发展。进入二十一世纪以来，现代社会文明开始向着节能环保的方向发展，l e d 作为一种新的光源形式，越来越广泛的应用丁照明等领域。目前在照明工程领域中，l e d 主要应用于 建筑立面、外观轮廓的装饰，大型的广场、公园的道路和草坪的景观亮化和广告招牌、灯箱等照明工 程中。所以，灯光的造型效果就显得至关重要了。要想得到一个好的灯光控制方案，设计一个简单 实用的l e d 控制器是很有必要的，它直接影响l e d 灯光的发展前途。但是在目前来看，l e d 毕竟是 一种新的材料和技术，掌握核心发光芯片制造技术的只有美国和日本少数几个国家。高昂的价格让 l e d 进入家庭照明还需一定的时间。但这不能否定l e d 极其广阔的发展前景。 由于l e d 的众多优点，各国政府在l e d 灯光照明发展发面予以高度重视，纷纷制定自己的l e d 发展战略和半导体照明计划，整合相关产、学、研资源，制定了鼓励发展l e d 照明技术等主导性产 业政策，投入巨资进行研发和生产，已形成世界性的半导体照明技术合同突破的态势。2 0 0 1 年7 月 在美国“半导体照明技术监图”的基础上，美国能源部启动一项名为“n e x t - g e n e r a t i o nl i g h t i n g i n i t i a t i v e ”( n g l i ) ，即“下一代照明计划”，这项计划的目标是要联合产业界、大学和国家重点实 验室的力量，加速半导体照明技术的发展和应用。这项议案计划从2 0 0 3 至2 0 1 1 年，每年提供5 0 0 0 万美元支持n g l i 计划的实施，预计在2 0 1 0 年实现全国5 0 以上的照明要采片jl e d ；日本于1 9 9 8 年 启动了“2 l 世纪光源计划”，以发展高亮度l e d 半导体照明为其目标，这个计划由日本新能源产业 技术综合开发机构与日本金属研究和发展中心所主导；欧盟立项“彩虹计划”；韩国、台湾等也有 类似的计划h 1 。由我国家科技部发起的“国家半导体照明工程计划”是一项旨在迎接新的照明革命， 加速我国半导体照明技术和产业化发展而实施的科技计划。2 0 0 3 年6 月，国家半导体照明t 程协调 领导小组成立并召开第一次会议，标志我国l e d 半导体灯光照明工程的正式启动。但是l e d 灯光控 制系统发展速度相对较为缓慢，美国路创、澳洲邦奇等生产灯光控制器的厂商都在积极的研制新一 代的控制方案。 目前，我国的小型l e d 灯光控制器主要还是采用p l c 和单片机米控制，控制图案比较单一，而 且重新设置变换的图案比较麻烦，主要应用在广场、舞厅等需要灯光来装饰的场合。景观灯是l e d 材料在照明灯光领域最重要的应用之一。我国最人的l e d 市场就是景观灯市场| 5 1 。以l e d 显示屏为 2 第一章绪论 例，它采用了显示缓冲区硬什搬移的数据技术，实现了显示器和l e d 显示屏的同步显示。 1 3u s 瞰术概要 u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) 是由c o m p a q 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 等七家公司于1 9 9 6 年1 月 正式推出，随着近几年的推广与应用，u s b 已经成为个人计算机的标准的外设接口，并将逐步取代 所有的各种传统外围接口，如串行端口、并行端口以及游戏接口等。早期的u s b ，在推出时并不受 重视，其主要原因是当时的土板以b a b y - a t 板型为主，b i o s 也支持不力。随后推出的a t x 主板结 构，将后面的面板设计成两层，便可以实现u s b 自由通信。在u s b 2 0 接口标准中，不仅理想高速 ( h i g hs p e e d ) 传输速率达到4 8 0 m b p s ，是全速( f u l ls p e e d ) 传输速率( 1 2 m b p s ) 的4 0 倍，而 且u s b o t g 也可以实现设备之间独立通信。加上m i c r o s o f t 公司和设备制造商i n t e l 的全面支持， u s b 的使用便很快普及开来旧1 。 u s b 的应用范同从低速的键盘、鼠标、调制解调器、i p 电话、麦克风到速度要求较高的移动存 储设备、打印机、扫描仪等，从传统的p c 外设扩展到了大容量存储、宽带网络、数字视频音频等 应用领域。不仅仅是在p c 领域，现在有许多传统的u n i x 工作站，比如s u n 工作站也开始支持u s b 接口。随着u s b o t g 补充规范的发布( 2 0 0 1 年1 2 月) ，u s b 接口的虑用范同开始扩展到了p c 以 外的领域，比如便携式电子设备、消费电子设备等脱离p c 机的场合。u s b - o t g 规范支持点对点的 传输，使得一般的u s b 设备离开p c 机也可以相互之间传输数据，这样就可以大大扩展应用范围， 使u s b 接口更加通用化。与另一外部总线1 3 9 4 相比，u s b 是一种基于主机一客户端的系统，必须 依赖计算机主机，而1 3 9 4 是一种点对点的接口规范。由于1 3 9 4 可以提供4 0 0 m b p s 以上的数据传 输速率，所以j “泛应用在数码摄像机等消费类电子领域。随着u s b 2 0 和u s b o t g 的发布，u s b 接 口的使用范同也将渐渐扩展到消费电子市场和视频电子市场。相对于1 3 9 4 ，u s b 的主要优势在于其 价格低廉、使用方便( 支持热插拔) 、而且u s b 2 0 与u s b l x 兼容，也就是说，u s b 2 0 的设备完 全可以接到u s b l x 的系统中，只不过此时u s b 2 0 的设备只能以最大1 2 m b p s 的速度传输数据， 而对于新的u s b 2 0 系统，原来旧的u s b 外设依然可以在新的系统上使用。 u s b 总线为p c 机与外设的连接提供了一种使用方便的智能总线连接方式。它采用分时处理机 制，利用数据包查询的方式来传输数据，使得p c 与外设的通信通过屏敞舣绞线即可实现最高达 4 8 0 m b p s 的理论传输速率。u s b 总线技术从它产生以米就得到业界的广泛支持，现在基于u s b 规范 的接口已经成为p c 标准接口之一。由于u s b 系统可以在外设空闲的时候将电源挂起以降低功耗， 所以它特别适合于那些对电源功耗敏感的场合，比如笔记本电脑以及使用电池供电的便携设备。u s b 总线是p c 外设真正实现了即插即用的功能，无论何时何地，用户只需要将外设简单连接到u s b 接 口，系统即可在不重新启动的情况下使外设正常工作。这种智能的总线管理方式可以利用u s b 集线 器( h u h ) 在一个u s b 系统中连接多达1 2 7 个u s b 外设哺。高带宽、低功耗、智能总线管理、价格 便宜、高通用性以及规范的开放性等特性使u s b 接口很快成为p c 外设标准的通信接口之一，冈此 u s b 接口的外设必然会大量出现。 由于u s b 具有以上的特性和优点，许多传统的外设接口已经转向的u s b 接口，而传统的串口将 随即被淘汰，冈此在新开发的设备中使用u s b 接口将符合时代潮流，将使产品的生命力更强，而不 至于很快被淘汰。 1 4 本课题的主要研究任务 本课题的主要任务是在进行充分的市场调研的基础上设计和开发一个l e d 灯光造型控制器，并 在充分满足性能指标的前提下，把成本控制在预定目标内。 项目需完成以下研究工作及任务： ( 1 ) 市场调查和方案设计 3 江南大学硕士学位论文 调查l e d 灯具市场和l e d 灯光控制技术的发展状况，比照国内外现有产品的优缺点，针对 c o l o r p i x e l 智能灯光控制系统的结构和技术指标，进行可行性和用户需求分析，设计一种新型l e d 灯光造型控制器，并细化控制系统硬件配置和软件功能，确定控制器的设计方案、技术路线和开发 重点。 ( 2 ) 硬件平台设计 根据设计方案进行处理器和外围器件的选型、设计硬件原理图和印刷电路板。本l e d 控制器主 要由微控制器、数据存储器、曼彻斯特编码生成器等部分组成。考虑剑控制器功能的扩展和器件的 货源是否充足，c p u 采用目前市场上流行的，以a r m 为内核的微控制器；数据存储器采用大容量的 n a n df l a s h 或s d 卡来实现；选用可编程逻辑器件来生成精确时序的曼彻斯特编码。 ( 3 ) 软件系统设计 根据功能划分进行系统软件体系结构设计，确定软件总体框架，以及控制器的工作方式。软件 还上还需要完成u s b 协议、底层固件驱动、v e r il o gh d l 实现曼彻斯特编码等程序的编写。在此基 础上，完成控制器的各种工作方式的功能设计。程序在设计时应充分考虑结构性，为今后软件代码 的升级提供必要的准备。 ( 4 ) 系统的调试 选择合适的开发和调试工具，并对系统软硬件做充分的调试与验证。在调试时，重点分析u s b 协议、固件底层驱动和曼彻斯特编码时序。系统联调时，要杳找、分析、记录并解决设计和开发中 存在的问题。最后要验证方案设计是否达到预定的要求与技术指标。 ( 5 ) 总结与展望 总结课题的研究成果，并在此基础上讨论进一步的研究工作和展望。 4 第二章系统总体方案分析 第二章系统总体方案分析 2 1 设计目的与性能指标 2 1 1 设计目的 基7 - - u s b 的l e d 灯光造型控制器是常州银港数据系统有限公司推出c o l o r p i x e l 智能灯光控制系 统中重要的一员，它的设计目的是针对目前l e d 灯光控制器存在功能单一、更改l e d 花样操作繁琐 等缺点，提供了一个较好的解决方案。控制器在通信接口要求采用u s b 总线，并可以以同步和同放 的方式播放l e d 灯光数据信息，用户还可以自由的下载l e d 灯光数据到控制器的存储器中。在使用 上，力求操作简单，适用于需要对l e d 灯光进行实时控制和用户d i y 控制的场合，如酒店、婚礼、 k t v 、家庭娱乐、圣诞树模型等。 2 1 2 性能指标 ( 1 ) 输入参数： 通过u s b 总线传输的上位机命令、数据文件包； 控制板上的拨码开关量数字信号。 ( 2 ) 输出参数： 数据格式：l e d 灯具所需的曼彻斯特编码格式的控制数据信号； 接口类犁：光电隔离的r s 4 8 5 t t l 电平信号； 传输速率：1 9 2 3 8 4 k b p s ； 线路数量：4 1 8 路。 ( 3 ) 存储器： 用c p u 片内f l a s h 来存放程序； 选用n a n df l a s h ( 或s d 卡) 来存放l e d 景观控制文件，该文件的格式为f a t l 6 ； 用e e p r o m 来存放用户设置的参数。 ( 4 ) 工作方式： 同步方式：实现l e d 灯光屏同步显示p c 机上播放的灯光景观； 存储方式：存储p c 机上的幻光景观文件( u 盘功能) ； 回放方式：脱离p c 机，直接播放l e d 灯光景观。 2 2 系统方案 2 2 1 总体方案分析 c o l o r p i x e ll e d 灯光控制系统的结构如图2 一l 所示。该灯光控制系统主要由三个部分组成：上 位机、l e d 灯光控制器和l e d 灯光景观显示屏。 5 江南大学硕士学位论文 l e d 灯光显示屏 震熏噩薹 【：= ： _蕾溢薹薹垂 囤2l 控制 统镕构图 f ib2 1s t i u c t u r eo ft h ec o n t r o is y s t e m 1 ) 上位机 该灯光控制系统的上位机上装有l i g h ts t u d i o 应用软件，它为l e d 灯光景观设计者提供了一套 快捷的设计方法和1 二作平台。l 1 9 h ts t u d i o 建立在w i n d o w s 平台上，可与流行的软件a u t o c a d 、f l a s h 等协同工作其中证嵌入了f l a s h 动画和m e d i ap l a y e r 媒体播戢软件，用户可以自己设计瞠集变 化的方案，在l i g h ts t u d i o 中直接播放并可以利用其自带的转换丁具，把播放的图案转换成相廊 r g b 格式的l e d 灯光控制数据”1 。图2 2 是l i g h ts t u d i o 软件j 二作的土界面，界面的右上角是橘 放的f l a s h 动画，主界面点阵上的图形就是用它自身的上具转换以斤在实际灯具上的模拟演示幽型， 该点阵上的每一个点就代表实际l e d 屏上的一个灯具。 田2 2 l i g b tsc u d i o 界自 f i 2 2i n t e r f a c eo fl 1 9 h ts t u d i 第二章系统总体方案分析 2 ) l e d 控制器 l e d 控制器根据上位机送来的l e d 灯光控制数据，无需进行视频的编码和解码，就可产生一路 或多路同步l e d 灯光控制线，每一路同步控制线能控制多达5 1 2 个内嵌s d m x 5 1 2 4 芯片的l e d 景观灯。 3 ) l e d 灯光显示屏 l e d 灯光显示屏中的每个像素点都由一颗s d m x 5 1 2 4 芯片来控制。s d m x 5 1 2 4 是一颗高集成度， 低功耗的l e d 照明灯具控制芯片，它采用了独创的同步d m x 5 1 2 单线l e d 照明控制机制，使l e d 灯 具的级联控制变得灵活和简单。s d m ) ( 5 1 2 4 内部由通信控制模块和三路数字p w ml e d 调光控制两部 分组成。以s d m x 5 1 2 4 为基础的全彩l e d 灯具组成级联控制方式，妁具间的控制线为单根线，不需 要设置地址，每个芯片的控制数据为1 2 位，控制r g b 三种颜色。每一种颜色为4 位控制数据，1 6 级灰度等级。s d m x 5 1 2 4 采用级联控制方式，一根控制线上的s d m x 5 1 2 4 的r g b 三个p 删通道的色彩 在一个数据帧结束时，会收到1 6 位的停止码0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 ，来实现色彩的同时刷新0 。s d m ) ( 5 1 2 4 的数据帧格式如图2 3 所示。 n 帧头 数据区n + 1 帧头 1 6b i t s1 6b i t s + 引导码+ ， 停止码+ 1 4 b i t s4 b i t s4 b i t s r e dg r e e nb l u e 图2 3s d m x 5 1 2 4 的数据帧格式 f i g 2 3d a t af r a m ef o r m a to fs d m x 5 1 2 4 数据帧长度= ( 1 6 比特引导码) + ( n 1 2 比特控制数据) + ( 1 6 比特停止码) = 1 6 + 1 2 x n + 1 6 n 为该线上的s d m x 5 1 2 4 的数量( 最大为5 1 2 ) 。 l s b 每个s d m x 5 1 2 4 芯片控制一个4 0 9 6 色的彩色灯具，灯具内芯片的连接方法如图2 4 所示。 连接前 d a t ai nd a t ai n d a t ao u t i 连接后一个芯片 v |：c d a t ao u t- v r 2 0 0 k _ 一 r 2 0 0 k oo 蚕 r弋三塑 蚕 r弋三：洲 c 丌c 九 弋三：。! l 卜0 一g弋三： _ _ g a 止工 b叫一b叫一 图2 4s d m x 5 1 2 4 连接图 f i g 2 4c o n n e c t i o ng r a p ho fas d m x 5 1 2 4 由s d m x 5 1 2 4 构成的8 8 点阵的小系统如图2 5 所示。 7 江南大学硕士学位论文 来门于上块板传输到r 块板 圈2 5 自s d i c x 5 1 2 4 构成sx8 阵白 纯目 f i g2 5 8 。8 毗t r i xs y s t e m 吡d eo fs 删x 5 1 2 4 2 22 控制嚣工作方式分析 该控制器的工作方式有三种，分别为同步方式、存储方式和回放方式，在同步方式和存储方式 f ，控制器可由u s b 电缆米供电回放方式下由外接电源来供电。由拨码开关来选择控制器的工作 方式。 ( 1 ) 同步方式： 这种方式f ，由p c 主机上的上位机软件调用相关的控竹并由u s b 接口把数据发送到l e d 控制器。 这种方式下控制器接收数据后，不作处理由c p u 以一定的速率向c p l d 传输并行的8 位数据，c p l d 则将并行的八位数据转换为曼彻斯特编码( m a n c h e s t e rc o d e ) 井由光隔离芯片6 n 1 3 7 传输给l e d 灯具。通过调节c p l d 的时钟和c p u 发送数据的时间间隔，即可调整传输并行4 8 位数据的速率，从 而控制了向l e d 屏的传送的速率。 ( 2 ) 存储方式： 存储方式即p c 士机通过u s b 接口以块存储的方式发送文件控制器接收后，以f a t l 6 的格式 将该文件存储到存储器中的方式。在选种方式，控制器在主机看来就是一个u 盘。 ( 3 ) 同放方式： 网放方式即控制器的c p u 直接读取存储器中的景观控制文件来实现l e d 灯光景观回放的t 作 方式。在这种方式f 需要把p c 机与控制器断开。c p l d 给c p u 发送一定周期的时钟信号而c p u 在时钟信号c l k 的下降延产生中断每次中断发送一字节数据( 井行八路) 给c p l d ，c p l d 先将并行 的八位数据信号转换为相应的m a n c h e s t e rc o d e ，然_ l 亓再将该编码传输给光耦芯片，晟后由光耦把 数据传送到l e d 景观灯上完成回放的功能。 2 3 本章小节 本章首先分析c o l o r p l x e ll e d 灯光控制系统的设计目的和性能指标，控制器所有的设计工作 都是在此基础上进行的。第二节分析了系统工作原理和嘴制器的三种工作方式。文中还简单舟绍 了l i g h ts t u d i o 软件的特性和l 曲灯具控制芯片s i 1 嘣5 1 2 4 的基本工作原理，为后面的设计工作 做了必要的背景知识准备。从第三章开始将详细分析l e d 控制器的软硬件设计方法。 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 上一章分析了系统工作原理和控制器的工作方式，本章主要论述系统硬件电路的设计，控制器 的硬件电路设计步骤如下： 1 ) 根据设计要求确定系统的硬件功能模块划分； 2 ) 在深入理解整个系统和各个单元电路功能的基础上进行芯片选择，在选择芯片时同时兼顾 到元器件的成本和扩展性； 3 ) 研读各芯片的数据手册，详细了解芯片的各个参数，包括：i o 驱动能力、管脚上的电压要 求、工作模式的选择、驱动时序产生等，保证满足设计要求； 4 ) 根据选择的芯片，在分析好各个芯片参数的基础上设计系统的电路原理图； 5 ) 根据电路原理图设计p c b 电路板，p c b 板设计时要考虑电磁兼容性和信号隔离等要求。 本章主要从系统的模块划分和结构图、芯片选型、原理图设计、p c b 板设计等方面进行论述。 3 1 硬件模块划分 根据系统技术设计要求，将整个控制系统分成多儿个模块来协同工作，系统功能模块结构划分 如图3 一l 所示。 图3 1 控制器功能结构图 f i g 3 1s t r u c t u r eo ft h ec o n t r o l1 e rf u n c ti o n 各个模块的功能为：电源提供整个控制器的能量来源；数字开关用于灯光控制的相关参数设置 和上作方式的选择，可由拨码开关来实现；u s b 接口是控制器与p c 机交换数据的主要通道；用户设 置的参数保存在参数存储器存储中；数据存储器存储用户的l e d 灯光显示文件信息；i d c u 负责协调 管理整个控制器的功能、驱动外围的接口( 包括参数存储器和数据存储器接口) 、与c p l d 通信等； c p l d 负责曼彻斯特编码数据的产生和时钟的同步等功能。 3 2 系统的器件选择 1 ) 主控芯片选择 主控芯片是整个控制器的核心，应该选择外设接口丰富，扩展容易，价格低、性能好的m c u 来担 当。考虑到兼容性和扩展性，经过反复比较分析，最终选择接口丰富，成本较低的工业级芯片 l p c 21 4 8 作为本设计的主控芯片。 9 江南大学硕士学位论文 l p c 2 1 4 8 是一款基于实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 1 6 位a r m 7t d m i - sc p u 的微控制器，并带有 3 2 k bs r a m 和5 1 2 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。l p c 2 1 4 8 具有较小的封装和很低的功耗，并内置了标准的通信 接口( 从u s b2 0d e v i c e ( 全速) 、多个u a r t 、s p i 、s s p 和1 2 c 总线接口) ，还含有多个3 2 位定时 器、2 个l o 位a d c 、1 0 位d a c 、p w m 通道、4 5 个高速g p i o 口以及多达9 个边沿或电平触发的外 部中断管脚，使它们特别适用于小型应用，通信网关、协议转换器和t 业控制等系统中。 l p c 2 1 4 x 系列m c u 的内部功能框图如图3 2 所示。 p o 3 12 8 la n d p 0 1 2 50 】 p 1 1 3 1 ：16 】 p o 3 1 ：2 8 1a n d p 0 1 2 5o j p 1 f 3 1 ，18 】 注：( 1 ) 管脚与g p i o 共用。 ( 2 ) 仅适用于l p c 2 1 4 4 6 8 。 ( 3 ) u s b 蹦a 控制器具有8 k