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摘要 l e d 照明产品功率变换与智能控制系统的 研究与开发 专业：电路与系统 硕士生：廖世文 指导老师：黄以华副教授 摘要 发光二极管( l i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 由于其节能、环保、工作寿命 长、响应速度快、可靠性高、体积小等优良特性，在照明应用领域正逐渐取代白 炽灯、荧光灯等传统光源，在民用以及工业各种应用场合得到了广泛的应用。但 目前在国内外市场上，l e d 照明产品在系统布线、产品电能效率、产品体积以 及生产成本上仍然存在较大的矛盾，并且在控制方式上一般采用传统的d m x 5 1 2 总线控制或s p i 总线控制方式，控制方式单一，缺乏灵活性。 传统的照明产品，在采用高压驱动时，布线方便、效率高，但体积大、成本 高，而采用低压驱动时，虽然体积小、成本低，但布线麻烦、效率低。针对上述 矛盾，本文采用集成低功耗智能控制芯片与a c d cl e d 驱动一体化设计方案完 成l e d 照明产品设计。所设计的l e d 照明产品具有效率高、体积小、成本低等 优点，并且可以通过p w m 调光方式实现2 5 6 个灰度级亮度调节，通过独立控制 红、绿、蓝三原色l e d 亮度，实现l e d 照明产品的全彩变换。 为了增强系统控制的灵活性并进一步减小控制系统的布线成本，本文在研究 传统d m x 5 1 2 总线控制方式的基础上，在照明产品前级增加d m x 5 1 2 信号解码 器。该d m x 5 1 2 信号解码器具有良好的兼容性，可以连接传统的d m x 51 2 灯光 控台。同时d m x 5 1 2 信号解码器和照明产品之间设计单总线通信链路，降低了 系统的布线成本。 作为一个完整的照明产品控制系统，本文在d m x 5 1 2 总线协议的基础上， 建立了由上位机、d m x 5 1 2 信号收发设备( d m x 5 1 2 控制器) 、d m x 5 1 2 信号解 码器以及l e d 投光灯( l e d 照明产品) 构成的系统。系统各个部件采用分布式 i l e d 照叫产品功率变换j j 智能控制系统的研究与开发 连接方式，具有控制灵活、维护方便以及扩展性强等特点。同时制定了可靠稳定 的通信传输协议，保证系统的可靠运作。 本课题完成了一个实际工程项目，着眼于解决实际的工程问题及提高我国 l e d 照明产品的竞争力。目前已经完成d m x 5 1 2 信号解码器和l e d 投光灯的产 品化设计，并对控制系统进行了实际测试，得到较为满意的效果。另外，本文指 出了在工程中遇到的实际问题及将来进一步努力的方向，同时论文的测试数据以 及工程调试经验为将来进一步研究奠定了基础。 关键词：发光二极管：d m x 5 1 2 协议；功率变换；智能控制系统 r e s e a r c ha n dd e s i g no fp o w e rc o n v e r s i o n a n d i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m f o r l e d l i g h t i n gp r o d u c t s m a j o r ： n a m e ： c i r c u i ta n ds y s t e m l i a os h i w e n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rh u a n g y i h u a a bs t r a c t l i g h t i n ge m i t t i n gd i o d eh a sm a n yg l o r i o u sf e a t u r e si nl i g h t i n ga p p l i c a t i o n s ，a n d i th a sb e e nw i d e l yu s e di nav a r i e t yo fc i v i la n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，g r a d u a l l y r e p l a c i n gi n c a n d e s c e n t ，f l u o r e s c e n ta n do t h e rt r a d i t i o n a ll i g h t i n gs o u r c e s ，b e c a u s eo f t h ee n e r g y - s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，l o n gs e r v i c el i f e ，f a s tr e s p o n s e ，h i g h r e l i a b i l i t y , s m a l ls i z ea n dm a n yo t h e rg o o df e a t u r e s a tp r e s e n t ，h o w e v e f ，o nt h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm a r k e t ，t h e r ea r em a n yc o n t r a d i c t i o n si nt h ec u r r e n tl e d l i g h t i n gp r o d u c t sa sw i r i n g ，e f f i c i e n c y , s i z e ，c o s ta n de t c m e a n w h i l et h es y s t e m s c o n t r o l m e t h o d sa r eq u i t es i m p l e ，l a c ko ff l e x i b i l i t y , t h ed m x 512b u so fs e r i a l p e r i p h e r a li n t e r f a c eb u sa r ec o m m o nu s e s w h e nh i g h - v o l t a g ed r i v e ri su s e di nl e dl i g h t i n gp r o d u c t s ，a l t h o u g ht h e p r o d u c t sc a nb eb e t t e ri ne l e c t r i c a le f f i c i e n c ya n dw i r i n g ，b u tt h ec o s ta n d t h es i z ea l e s e r i o u sp r o b l e m s h o w e v e r ，w h e nt h el o w - v o l t a g ed r i v e ri su s e di nl e dl i g h t i n g p r o d u c t s ，t h es i z ei sm u c hs m a l l e ra n dt h ec o s ti sl o w e r , b u ti tb r i n g sw i r i n ga n d e l e c t r i c a le f f i c i e n c yp r o b l e m s a i m i n ga tt h e s ec o n t r a d i c t i o n s ，ah i g h e f f i c i e n c y a c d cl e dd r i v e ri n t e g r a t e dw i t hl o w - p o w e rc o s ti n t e l l i g e n tc h i pi sp r o p o s e df o r t h el e dl i g h t i n gp r o d u c t s t h ep r o d u c t sh a v et h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y , s m a l l s i z ea n dl o wc o s t 2 5 6 一s t e pp w mi su s e df o rt h el e dd i m m i n g ，a c h i e v i n gt h e f u l l c o l o re f f e c t sb ys e p a r a t e l yc o n t r o l l i n gt h eb r i g h t n e s so fr g bl e d s t om a k et h es y s t e mm o r ef l e x i b l e ，a n dr e d u c et h ew i r i n gc o s t so ft h el i g h t i n g c o n t r o ls y s t e m , ad m x 512s i g n a ld e c o d e ri sd e s i g n e da sap r e s t a g eo ft h el i g h t i n g l e d 照明产品功牢变换与智能控制系统的研究与开发 p r o d u c t s t h ed e c o d e ri sp r o p o s e db a s eo nt h ed m x 5 12d a t ab u s ，a n di th a sg o o d c o m p a t i b i l i t y , c a l lb ec o n n e c t e dt oc o n v e n t i o n a ld m x 5 12l i g h t i n gc o n t r o lu n i t so r o t h e rd m x 512d e v i c e m e a n w h i l e ，as i n g l e d a t ab u si sd e s i g n e d ；t h ed a t al i n ea n d t h ea c 2 2 0 vp o w e rl i n ec o m p o s et h ec o m m u n i c a t i o nl i n kb e t w e e nt h ed e c o d e ra n d t h ep r o d u c t s t h ed e s i g nm a k e st h ew i r i n gm u c he a s i e ra n dc o s t l e s s a sac o m p l e t ec o n t r o ls y s t e mf o rt h el i g h t i n gp r o d u c t s ，d i s t r i b u t e d c o n n e c t i o n m e t h o di su s e db yt h es y s t e m ，a n dar e l i a b l ea n ds t a b l ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lb a s e d o nt h ed m x 512p r o t o c o li sp r o p o s e dt og u a r a n t e et h eg o o di n t e r a c t i o nb e t w e e na n y u n i t so ft h es y s t e m t h i ss u b j e c ti st oc o m p l e t eap r a c t i c a lp r o j e c t a i m i n g a t s o l v i n gp r a c t i c a l e n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，a l s ot oi m p r o v et h ec o m p e t i t i v es t r e n g t ho fo u rc o u n t r y t w o p r o d u c t sh a v eb e e nf i n i s h e d ，t h ed m x 5 12s i g n a ld e c o d e ra n dt h el e dr g b b l a s t s ， a n dt h el i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nt e s t e d 埘t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s i na d d i t i o n ， p r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m sa n dt h ef u t u r ee f f o r tt ob em a d eh a v eb e e np u tf o r w a r d b yt h i sp a p e r t h ed e s i g na n dr e s e a r c hm e t h o da n d t e s tr e s u l t si n t h i sp a p e rc a nb ea f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：l i g h te m i t t i n gd i o d e ；d m x 5 1 2 ；p o w e rc o n v e r s i o n ；i n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e m l v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文使用授权声明 学位论文作者签名：离茁l 日期：如h 年6 月i e l 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：鹃也艾 日期：d 年b 月ie l 绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 l e d 是l i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e 的缩写，即发光二极管。l e d 是一种将电能直接 转换为光能的多元化合物半导体器件，具有诸多优良特性1 1 】：如发光效率高、耗电量 少，使用寿命长；可靠性高、安全性好；属于绿色照明光源、环保无污染：器件响 应时间短；体积小，使用方便；对工作条件要求低，抗冲击、抗震性能强；使用寿 命长等等。在高亮度白光l e d 发明之后，l e d 元件的制造技术有了飞速的发展，使 l e d 替代白炽灯成为可能。尤其是l e d 所具备的节能、使用寿命长等巨大潜能，促 使l e d 照明技术深入照明界，并在近年来且取得了令人瞩目的成绩。l e d 照明技术 被认为是2 l 世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固体冷光源和最具发展前景 的高新技术领域之一，使照明技术面临一场新的革命，很大程度地改善人类的生产 和生活方式【2 l 。 由于l e d 的众多优点，各国政府在l e d 灯光照明发展方面予以高度重视，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围突破的态势。2 0 0 1 年7 月在美国“半导体照明技术蓝图”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 gi 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 11 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 以上的照明要采用l e d ； 日本于1 9 9 8 年启动了“2 1 世纪光源计划”，以发展高亮度l e d 半导体照明为其目标； 欧盟亦制订了相应的“彩虹计划”；韩国、台湾等也有类似计划【3 1 。我国“半导体照明 工程”在“十一五”的战略目标是：通过自主创新，突破已有白光照明核心专利的限制， 掌握市场急需的产业化关键技术，形成自主知识产权，建立完善的技术创新体系与 特色产业集群，完善半导体照明产业链，形成具有国际竞争力的我国半导体照明新 兴产业，其中l e d 灯具系统设计及应用集成技术作为l e d 技术发展的重点之一【4 1 。 本项目的立项j 下是立足于此出发点，研究l e d 照明产品的功率变换与集散控制一体 化技术，并形成有竞争力的产品。 l e d 照明产品功率变换与智能控制系统的研究与开发 随着l e d 发光效率的不断提高，以及其绿色环保、高效节能、可靠耐用的优势， 在照明应用领域也得到进一步的拓宽，并广泛地应用于医疗设备【5 】、探测系统1 6 、l c d 背光f 7 】以及室外装饰照明【8 】等领域，同时正在向通用照明领域拓展。目前在从事l e d 照明产品生产的企业中，高端产品仍然以国外厂商为主，而国内l e d 照明产品生产 企业普遍存在规模小、技术实力弱、产品档次低等问题【3 1 。如何在l e d 照明产品的 设计中进行技术创新，提高发光效率和电能利用率，设计出具有自主知识产权的高 技术含量的产品，摆脱国外相关技术壁垒，是我国l e d 照明产业的发展方向。 1 2 国内外研究现状 在国内外市场中，l e d 照明产品按照驱动电压的高低可以分成高压驱动和低压 驱动，高压驱动的产品一般使用在固定亮度的单色照明l e d 灯具上，特别是高亮度 白色照明产品可用于代替现有的灯管。低压驱动方式用于亮度一般用于控制多色或 全彩色照明产品。由于r g b 三原色全彩色l e d 照明产品具有结构简单，灯光颜色 鲜艳，效果丰富多彩的特点，因而被广泛应用于广场照明、户外景观照明、舞台照 明等应用场合。 低压电源驱动的l e d 照明产品如图1 1 所示，这类产品需要经过高压电缆、功 率因数校正、电源低压变换、低压电缆、l e d 驱动共5 个环节，每经过一个环节， 电能都有部分损失，低压大电流长线驱动的线损耗较大，因此低压驱动l e d 照明产 品的电能使用效率一般很低，造成了电能的极大浪费，同时由于外置开关电源，布 线麻烦。高压驱动的l e d 照明产品如图1 2 所示，电源的驱动途径只需要经过高压 电缆、功率因数校正、l e d 驱动共3 个环节，经过的环节较少，电能损失也大大减 少，并且在高压工作条件下的小电流的长线驱动中，线损耗要小得多，高压l e d 照 明产品的电能使用效率可以达到8 0 以上，大大提高了照明产品的电能效率，但这 类产品由于需要灯具内部安装开关电源，所以灯具体积较大。因此，本文在l e d 灯 具设计中采用高压驱动方案实现功率变换，并进行恒流处理后驱动l e d 发光，同时 在l e d 灯具里设计并集成低功耗的逻辑控制部件，开发出集功率变换和集散控制技 术为一体的l e d 照明产品，对于提高l e d 产品电能效率及l e d 产品的竞争力具有 极大意义。 2 绪论 教据总线 电力苴线 图1 1l e d 灯具低压供电 图l - 2 l e d 灯具高压供电 传统的l e d 照明产品的控制方式一般具有总线控制和s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 级联控制两种方式。总线方式一般采用灯光控制的标准r s 4 8 5 差分 d m x 5 1 2 总线协议进行控制，每个产品设置唯一的地址，一帧数据包含5 1 2 个字节 的数据，一条数据通道最多可以控制1 7 0 个全彩l e d 照明产品。采用总线控制方式 时，某个产品损坏不会影响其他产品的正常工作，组成的灯光系统具有性能稳定、 可靠性高、维护方便的特点，d m x 5 1 2 总线控制方式如图1 3 所示。s p i 控制方式由 于是逐个l e d 灯具级联，某个l e d 灯具损坏会直接影响后级l e d 灯具的使用，可 靠性较低，s p i 控制方式如图1 4 所示。 图1 - 3d m x 51 2 总线控制 l e d 照明产品功率变换与智能控制系统的研究与开发 l e d 光源 t i 一 驱动t 毡路 t j 1 一 、l cl r l e d 光源 厂 - _ - _ _ - _ j l _ 一 驱现电路 l e d 光源 工 驱动电路 1 j i 一j1 一j 图1 4 串行信号控制 近年来，国内外在照明应用领域的通信方案种类较多，多种先进的有线和无线 接口被应用在新型的照明系统。如z i g b e e 、t c p i p 协议、c a n 总线以及u s b 总 线等。 z i g b e e 技术 z i g b e e 是一种介于无线标记和蓝牙技术之间的技术提案，它于2 0 0 4 年在美国正 式问世，依据i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，工作在2 4 g 和8 6 8 9 1 5 m h z 频段上。作为一种新 兴的近距离的无线网络技术，具有复杂度低、低功耗以及数据速率低等优点f 9 】。z i g b e e 技术作为一种通信手段，在照明领域得到较为广泛的应用，如太阳能路灯以及隧道 照明系统等应用场合f 1 0 ，1 1 1 。 t c p i p 技术 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 的简写，即传输控制协 议互联网络协议) ，是i n t e m e t 最基本的协议。简单地说，就是由底层的i p 协议 和t c p 协议组成的。t c p i p 协议被广泛应用于现在互连网上，具有很好的通用性。 由于网络技术的普及和成熟，l e d 照明控制系统中应用t c p i p 网络技术己成了一 种明显的趋势。用t c p i p 协议可使整个系统的宽带、距离、可靠和双向等功能的实 现，这意味着在一个网络里可同时连接的设备更多，且连接的距离更长，传输控制 协议使l e d 装饰照明系统的控制质量和可靠性更高，双向通讯使设备的远程监测 和控制更有效【1 2 】。 c a n 总线 现场总线技术已成为当今工业自动化技术发展的热点。c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。c a n 是一种多主 方式的串行数据通讯总线，基本设计规范要求，有高的位速率，高抗电磁干扰性而 且能够检测出产生的任何错误，当信号传输距离达到1 0 k m 时，c a n 仍可提供高达 4 绪论 5 0 k b p s 的数据传输速率 1 3 j 。c a n 总线技术在照明领域主要应用在汽车车灯控制系 统、室外装饰照明【8 】以及其他分布式智能照明控制系统中【1 4 j 6 】。 u s b 总线 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，即通用串行总线的简称，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。在u s b 2 0 接口标准中，不仅理想高速传输速 率达到4 8 0 m b p s ，是全速传输速率( 1 2 m b p s ) 的4 0 倍。更由于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 的使用便很快普及歼来。u s b 总线由于其通用新在 照明控制领域中通常被应用于显示屏显示技术当中【1 8 】。 最初的照明控制系统被应用于舞台等娱乐行业的灯光控制，之后在工业和民用 领域的建筑照明系统得到了快速的发展。随着人们生活品质的提高环境保护、资源 节省意识的增强，对照明的智能化控制要求也越来越高。智能系统要求控制有效、 直观，实现实时监控，能够根据需求进行调光【1 9 1 。智能照明控制系统随着城市化建 设的发展而不断衍生出适合各类场合的协议，总得来说实现网络化、精确化即实时 性是经济和技术发展的必然趋势，对于智能照明控制系统对控制的要求有【l l 】： ( 1 ) 控制网络能够实现点对点及多点到多点的通信。 ( 2 ) 通过编程，能够对网络内的节点进行分组控制。 ( 3 ) 能传输开关、亮度、故障分类等信号，利于节能和故障检测。 ( 4 ) 尽可能选择标准协议，在不同厂家的产品问实现互操作。 ( 5 ) 强抗干扰能力和较远的传输距离。 本文立足于克服目前l e d 照明产品在电源和控制两方面的缺点，在l e d 光源 的驱动部分采用高压功率变换处理技术，结合恒流驱动方式，同时把总线控制功能 集成在l e d 灯具内部，完成功率变换与集散控制的一体化设计。为了进一步减少系 统的布线数量，在照明产品的前级利用d m x 5 1 2 信号解码器对d m x 5 1 2 信号实现解 码，解码器与l e d 灯具之间的传输信号采用频率调制方式进行总线控制，以达到减 少控制线缆、延长控制距离的目的，如图1 5 所示。此外，本文还在现有的硬件基础 上，以上位p c 机作为照明产品的监控站，设计出控制结构合理的照明产品智能监控 系统。 l e d 照明产品功率变换与智能挖制系统的研究与开发 黼il 堞叫i 屿掣：i 屿掣：i 屿塑掣 d m x s l 2 解码器 耋蓊h 鍪耋蕊h 冀蕊h 萎耋 图1 5 高压供电与总线控制一体化 1 3 论文的主要研究内容 本论文的课题背景是由本人的导师黄以华与广州中大中鸣科技有限公司蔡如 海总工程师共同主持的广东省教育部产学研结合项目l e d 照明产品功率变换与数 据控制一体化技术的研发及产业化应用。在项目过程中，充分从项目的产品化角度 考虑，最终完成基于d m x 5 1 2 协议的r g b 全彩l e d 投光灯控制系统的产品化设计。 所完成的系统具有集成度高、控制灵活以及扩展性强等特点。本人在项目中的主要 研究及开发工作如下： ( 1 ) 完成照明产品控制系统架构及控制方案设计，为照明产品的控制方法制定了 完善的基于d m x 5 1 2 协议的数据控制传输协议； ( 2 ) 充分考虑产品功能技术指标，完成d m x 5 1 2 信号解码器及l e d 灯具监控电路 的硬件电路设计工作及测试工作； ( 3 ) 提出单总线通信方式，并设计相关控制电路，迸一步节省了照明产品的布线 成本，提高了系统控制的可靠性； ( 4 ) 完成l e d 恒流驱动设计并研究l e d 调光控制方法，设计a c d c 功率变换电 路，提高了l e d 照明产品的电效率，采用数字脉宽调制对l e d 进行亮度控 制实现l e d 灯具的全彩变换； ( 5 ) 完成系统控制芯片的软件设计，采用m i c r o c h i p 公司d s p i c 3 0 f 系列1 6 位高端 单片机进行控制，实现系统的可靠控制。 此外本人在本系统架构的基础上提出了系统的改进方案，为将来控制系统扩展以 及完善提出了明确的方向，便于后续的研究和开发工作。 6 绪论 1 4 论文安排 本论文共6 章： 第1 章介绍论文的研究背景及意义；课题的国内外研究现状以及本人的主要工 作及贡献。 第2 章介绍d m x 5 1 2 协议及系统架构设计，系统架构主要包含上位机控制软件、 d m x 5 1 2 控制器、d m x 5 1 2 信号解码器及l e d 灯具各个部分。 第3 章介绍系统硬件设计，包括d m x 5 1 2 信号解码器、l e d 灯具内部具体硬 件电路的实现，以及各系统各部分的接口设计。 第4 章介绍系统软件设计，包括基于d m x 5 1 2 协议的系统控制传输协议介绍， 解码器以及l e d 灯具监控电路的具体控制流程。 第5 章介绍系统电路的调试方法以及测试结果，主要包括系统的测试方法以及 测试数据。 第6 章总结与展望，总结全文的研究方法与实现方式，提出系统进一步完善及 进一步研究的方向。 7 d m x 5 1 2 协议及系统架构设计 第2 章d m x 5 1 2 协议及系统架构设计 本文研究基于d m x 5 1 2 总线协议l e d 照明产品智能控制系统，本章将在介绍 d m x 5 1 2 总线协议的基础上，对系统的架构设计进行阐述。 2 1d m x 5 1 2 协议 d m x 即d i g i t a lm u l t i p l e x ，是多路数据传输的简称。d m x 5 1 2 协议于1 9 9 0 年由 美国剧院技术协会( u s i t t ) 制定的灯光控台与l e d 灯具进行通信的数据传输的工 业标准。目前，几乎所有的灯光控制台和被控设备都与d m x 5 1 2 协议标准兼容。该 标准规定了灯光控台的电气特性、数据格式以及数据协议等各方面内容。 d m x 51 2 电气特性与r s 4 8 5 电气特性完全兼容，数据链路采用e i a 4 8 5 a 的平 衡数据传输技术驱动【2 0 1 。作为一种简单的异步八位串行数据协议，d m x 5 1 2 协议包 含由标准通用异步收发设备( u a r t s ) 产生无类型的字节流。主数据链路上的数据 以数据包形式发送，最多可达到5 1 3 个字段。每个数据包的第一个字段为起始码， 定义数据包中后续字段的用途，符合本标准的设备的互联性主要取决于发送设备零 起始码的使用，接收设备的功能取决于从收到的数据包中对相关数据的提取和处理。 d m x 5 1 2 协议适用于单点对多点的主从式( m a s t e r - s l a v e ) 控制方式，主模块与 从模块的采用总线方式相连接。此外，d m x 5 1 2 协议设备之间的传输数据必须满足 严格的时序要求，数据包的每一部分时序都相当严格。d m x 5 1 2 协议的数据传输速 率为2 5 0 k p b s ，数据更新率达4 4 帧s ，每个数据帧包含的通道数据多达5 1 2 个【2 0 j 。 一个完整的d m x 5 1 2 控制指令称为一个d m x 5 1 2 指令帧，d m x 5 1 2 指令帧由帧头和 帧数据两部分组成，d m x 5 1 2 指令帧格式【2 0 】如图2 1 所示。 | 一帧头一_ i _ 一帧数据l im b b m a bl i l il i i d idsil d 5 1 2 图2 1d m x 5 1 2 指令帧格式 8 l e d 照明产品功率变换j 智能控制系统的研究与开发 对于标准的d m x 5 1 2 信号，d m x 5 1 2 指令帧的帧头由m b b 、b r e a k 以及m a b 组成，m a b 、b r e a k 及m b b 都具有相应的取值范围或典型的值，数据帧由起始 码和串口数据组成，具体定义如下表2 1 所示： 表2 - 1d m x s l 2 指令帧时序定义 名称含义说明 m a r kb e f o 陀b r e a k m b b0 s m b b “m s 蛐螬：委占羹h v 势1 0 旷 。 乌一一 j ，弹妻 l 1 2 z 、 v 0 0 ；l r r 。，、，、 h v 9 9 l i 8 1 7v t ，) 3 _蓦i3 一 ：e i 兰i ： 盆 、 陌司：i 。4 t j 一 一 ， l da 脏 d 一蜘哗0 1 囊 l 襄 3 6 芷 f i - r专( i ， z 9 咄m d 宝 c s l 一 ( 戳n 2，一、：- - 0 i u f n 【】兰】量 1 h v 9 9 1 0 b 工作原理 图3 1 lh v 9 9 1 0 b 驱动电路 h v 9 9 1 0 b 的内部结构如图3 1 2 所示。h v 9 9 1 0 b 2 9 能工作在连续或非连续状态 下的传导模式。当h v 9 9 1 0 b 的g a t e 控制端为高电平时，m o s f e t 开通，驱动器 通过电容，前级电压经电感、m o s f e t 向电感储存能量。根据转换器类型的不同， 能量也可能部分直接传送到l e d 上去，储存在磁性元件中的能量。当m o s f e t 关 断时，能量通过快恢复二极管续流向输出端送出并点亮l e d 。m o s f e t 的源极( s 端) 连接调节电流的电阻，调节电流电阻上的电压连接到反馈到h v 9 9 1 0 b 的c s ( c u r r e n ts e n s e ) 端。当经过电阻上的电流上升，使c s 端的电压超过h v 9 9 1 0 b 内 部的比较器的基准电压( 取芯片内部设定基准为2 5 0 m v 或l d 端的电压) 时，比较 器的输出经h v 9 9 1 0 b 内部逻辑电路使g a t e 为低电平，控制m o s f e t 的栅极( g 端) ，关断m o s f e t 使l e d 电流降低。如果需要设定软启动，则需要在l d 端并一 个电容用于确保通过l e d 的输出电流在启动时逐渐提高。 v n l d c s 图3 1 2h v 9 9 1 0 b 的内部结构1 2 9 1 2 6 系统硼件实现 2 i - i v 9 9 1 0 b 驱动电路元件选择及参数确定 在l e d 驱动电路的设计中，驱动芯片h v 9 9 1 0 b 外围电路的元件选择相当关键， 元件的选择同l e d 驱动电路的工作电压和l e d 负载相关，同时必须明确l e d 驱动 工作条件： l e d 驱动芯片直流输入的变化范围砌魄； l e d 负载的工作电压玩； l e d 额定的工作电流j 。 在l e d 驱动电路设计当中，还需要明确以下几个关键问题： ( 1 ) l e d 工作特性 l e d 的实质就是半导体p n 结，发光二级管的发光从实质上讲就是半导体发光， 是由于晶体原子内部的电子跃迁产生的现象，其发光机理是电子空穴带间跃迁符合 发光【3 0 1 。作为p n 结二极管的一种，l e d 的正向伏安特性可以表示为： q u _ l i f = i s ( p 被r 一1 ) ( 3 - 1 ) 式3 1 中：五为反向饱和电流( a ) ；q 为电子电荷量，q = 1 6 0 2 1 0 - 1 9 c ；1 1 为常数， n = l 2 ；k 为波耳兹曼常数，k = 1 3 8 1 0 - 2 3 j k ；t 为热力学温度，在室温为2 5 c 时， t = 2 7 3 + 2 5 = 2 9 8 ( k ) ，g k t 3 9 y ；k t q 2 6 m y 。 由此可见，l e d 的正向电流扫与正向电压蹄之间呈指数关系，当l e d 导通后， 较小范围的电压变化会引起很大的电流变化。因此在本项目在l e d 驱动控制方式上 选择对l e d 的电流进行控制，即恒流驱动方式，恒流驱动方式可以准确的控制l e d 的亮度。 l e d 通常只在正向电压条件下工作，因此本文只讨论l e d 的正向伏安特性，在 实际设计中，采用c r e e 公司的高亮度红、绿、蓝彩色l e d 作为l e d 发光源，这 类l e d 体积小，最大工作电流达7 0 0 m a ，具有良好的散热工艺，可以正常工作达 5 0 ，0 0 0 小时，具备良好的工作特性，其正向伏安特性如图3 1 3 所示【3 l 】。由于不同 颜色的l e d 制造工艺不同，绿色、蓝色l e d 的伏安特性与红色l e d 的伏安特性略 有不同。图3 1 3 中，( a ) 图为红色l e d 的i f 向伏安特性图；( b ) 绿色、蓝色图为 l e d 的正向伏安特性图。根据w 特性图可以看出：红色l e d 其正向导通电压约 1 8 v ，在电压为2 4 v 时达到其典型工作电流3 5 0 m a ：绿色及蓝色l e d 其正向导通 电压约2 8 v ，在电压为3 4 v 时达到其典型工作电流3 5 0 m a 。 2 7 l e d 照明产品功率变换与智能控制系统的研究与开发 系统硬件实现 图3 1 4h v 9 9 1 0 b 两种工作模式 当转换器电路的占空比大于5 0 时，需要采用c o n s t a n to f f - t i m e 工作模式。在 c o n s t a n to f f - t i m et 作模式下，m o s f e t 的关断时间根据硬件电路元件参数而确定下 来，开通时间由电流采样电阻上的电流决定。c o n s t a n to f f - t i m e 工作模式下，驱动的 工作频率可变，该频率与电路的外部元件选择有关。 若设计要求驱动输出以为3 3 3 8 v ，工作输入电压在1 0 0 2 4 0 v a c ，经整流得到 较高的直流电压，由于前级采用填谷式功率因数校正电路( p f c ) ( 见3 2 3 节) 输出 直流电压为1 0 0 2 4 0 v d c ，转换电路的占空比小于5 0 ，综合考虑调光的响应速度需 要，设计中采用c o n s t a n tf r e q u e n c yt 作模式。 ( 3 ) p w m 调光原理及工作频率选择 低频脉冲调光也被称为脉冲调光( b u r s td i m m i n g ) 或p w m 调光0 4 1 。这种方式不 改变输出电流，让l e d 电流固定操作在额定值，利用低频脉冲调光信号来控制灯管 的导通与截止的时间，也即灯管的平均亮度和低频信号的占空比成正比，通过控制 低频信号的占空比，从而达到控制平均亮度的作用。就目前的技术而言，这种调光 方式可以达至t j l 0 0 0 ：l 或者更高的对比度【3 5 , 3 6 j 。设p w m 低频脉冲信号的开通时间为f ， 周期为乃 d = t | t 假设满占空比时的电流为i o ，l e d 串正向压降为u o ，则l e d 平均电流： ，= d x l o 平均功耗： j p ；d x l o v o ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) l e d 照明产品功率变换与智能控制系统的研究+ 与开发 当脉冲的重复频率厂= j 厅足够高时，人眼感觉不到l e d 的闪烁，人眼得到l e d 的光强： l = 1 ti f ( i d ) a t - - - t to 厂( i o ) = d * l p ( 3 5 ) 式3 5 中，三为输出光强；l j p 为满占空比时的输出光强；fm 夕为l e d 光强与 正向电流的转移函数。式3 5 说明l e d 的输出光强是脉冲期间的光强平均值，如果 ( 易) 是线性的，那么l e 屯，即利用脉冲期间把正向电流加大到1 d 倍，可以得到 与直流驱动正向电流，时相同的光强。但往往正向电流与输出的光强并不是线性关 系。多数厂商提供的l e d 光强与正向电流的转移函数( 易) 仅在一定的范围内呈线 性关系，当正向电流加大到某一数值后就不再是线性关系了f 2 9 1 ，这点在设计中必须 注意。 p w m 数字调光原理如图3 1 5 所示。其中，输入控制频率即控制l e d 驱动电路 中的m o s f e t 开关状态的脉冲信号，其频率以及占空比由l e d 驱动电路外围元件 参数决定；低频脉冲控制信号由l e d 灯具控制器内部的p w m 模块产生，其占空比 由对应d m x 5 1 2 控制通道的数值大小决定。d m x 5 1 2 控制通道数值为n ( 取值范围 为0 - - - 2 5 5 ) ，所对应的低频脉冲控制信号的占空比d = n 2 5 6 ，因此l e d 共有2 5 6 个灰 度级。 低频控制信号 输入控制信号 输出控制信号 截止时间 ，x 1 0 0 0 4 8 0 0 , 5 0 0 4 眦衄叽舢眦邶删肌唧邶彻删删唧删 m 邶眦衄删肼邶删删巩f删 8 0 5 0 1 t a 2 t 43 t a 图3 1 5p w m 数字调光原理图 系统硬件实现 在设计p w m 调光控制算法时，必须注意低频控制信号的频率办删的选择。一脚 太低( 典型值为1 2 0 h z 以下) 会使l e d 工作时出现闪烁；反之，在输入控制信号频 率一定的情况下，办腑太高会使l e d 平均亮度变化不明显，达不到指定的灰度级【3 7 1 。 在设计当中，为l e d 驱动电路选取适当的元件参数，令输入控制信号频率即l e d 驱动电路工作的频率工