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全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 摘要 目前，半导体照明产业的迅速发展，在世界范围内孕育着照明领域的一场革 命。计算机技术在半导体照明工程中的应用研究具有重大的实用价值。本文较深 入的研究和探讨了计算机仿真技术在l e d 照明系统中的应用。 首先阐述了具有仿真功能的全彩l e d 照明系统的总体设计思想，系统采用了 分散管理独立控制模式。然后根据面向对象的思想和产品数据库管理理论，提出 了面向对象的l e d 灯具建模解决方案。在分析和建立仿真系统框架结构的基础 上，设计了友好的系统界面，并深入研究了o r ，e n g l 三维图形制作技术，采用面 向对象的编程技术设计o p e n g l 与v i s u a lc + + 间的接口类c g l 。最后对仿真系 统在全彩l e d 照明系统中的应用进行了总结和展望。 关键字：l e d 、仿真、灯具库、o p e n g l 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n ts e m i c o n d u c t o ri l l u m i n a t i n gi n d u s t r i a l ， m o r ea n dm o r ec h a n g ei nt h ef i e l do fi l l u m i n a t i o n ，a n dc o m ei n t ob e i n gr e v o l u t i o ni n t h ew o r l d c o m p u t e rt e c h n i q u eh a sa i li m p o r t a n c ea p p l i c a t i o nr e s e a r c hp r a c t i c a l l y w o r t h i n e s si ns e m i c o n d u c t o ri l l u m i n a t i n gp r o j e c t i nt h i sa r t i c l et h ea u t h o rs t u d i e sa n d d i s c u s s e st h es h - n u l a t i o no ff u l l - c o l o rl e dl i g h t i n gs y s t e mm a dd e p e l o p sr ss o a k a r e f r o mf o l l o w i n ga s p e c t si nd e t a i l f i r s t l ye x p o s et h i ss y s t e m sm a s t e rp l a n ，a n dg i v e nd i s t r i b u t e dm a n a g e m e n t ， i n d e p e n d e n tc o n t r o lm o d e l t h e nb a s e o nt h eo b j e c t o r i e n t e dt h e o r yo fs o f t w a r e e n g i n e e r i n g & p d mt h e o r y , o n eo b j e c t - o r i e n t e dm o d e lo fl e dl a m pi sp r e s e n t e d a n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dd e v e l o p i n gt h em a i n f r a m eo ft h ef u l l - c o l o rl e d i l l u m i n a t i n gs i m u l a t i o ns y s t e ma n df r i e n d l ys y s t e mi n t e r f a c eh a sb e e nd e s i g n e d 。a n d t h et e c h n o l o g yo fd r a 咖g3 dg r a p h i c sh a sb e e nl u c u b r a t e d t h ei n t e r f a c ec l a s s e n v i r o n m e n tc g lb e t w e e no p e n g la n dv i s u a lc + + h a sb e e nd e s i g n e db yu s i n go o p t e c h n i q u e s oo p e n g lf u n c t i o nc a nb ea p p l i e d t od r a w3 dg r a p h i c si no ft h e s u a l c + + 6 0 f i n a l l y ，t h ec o n c l u s i o na n dt h ed e v e l o p i n gt r e n do nl e dl i g h t s i m u l a t i o nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta r ep u tf o r w a r d w f i 缸e nb y ：c h e nl i ( c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y ) d i r e c t e db y ：p r o f t a oj u n c a i k e yw o r d s ：l e d ，s i m u l a t i o n ，l a m p sa n d l a n t e r n sb u s ，o p e n g l 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。据我所知，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，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 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。 学位论文作者签名：了轴 签字日期： m f 年牛月2 占目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌态堂有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权直昌太堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 薄力 导师签名 向裴才 签字日期：聊j 年毕月j 占日签字日期：三口。r 年毕月8 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 本课题来源于国家半导体照明工程的全彩l e d 景观照明试点的样板工程。整 个系统构成为：远程系统管理模块、远程通讯模块、单元管理模块、单片机控制 模块、l e d 显示模块。 随着世界经济的飞速发展，照明作为日常生产生活中所不可缺少的部分，成 为了世界各国的一项重要的能源消耗，我国在1 9 9 6 年提出了“绿色照明工程”， 主要就是为了解决与照明相关的能源供应和经济效益问题。新型的照明光源l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 发光产品在照明和装饰领域逐渐受到世人的瞩目。众 所周知用l e d 代替白炽灯作为照明光源，被誉为继爱迪生发明白炽灯之后，在照 明领域，人类的又一大发明。 l e d 是一种半导体固体发光器件，具有寿命长( 可以达到8 万小时左右) 、 高亮度、低耗等独特优势，起到环保、节省能源的作用，使得l e d 光源具有光明 的前景。如今超高亮l e d 的研制成功，才使得l e d 作为照明灯具成为了现实，目 前使用最广泛的是用l e d 做的变色球系列，它兼容螺纹及卡口两种，可直接代替 白炽灯。更显著的特点是可以实现七彩变化及多种颜色的渐变及闪烁等，适合广 场、舞台、酒吧等装饰。 现代照明学科一方面与光学是不可分割的，但另一方面与人机工程学同样有 着密切的关系。在照明设计和实施的过程中，如果光学计算不够精确，会导致一 些不可必要的浪费，甚至可能导致重大事故。为了实现科学、精确的照明设计， 目前世界范围内在照明设计过程中都采用了计算机辅助计算，通过辅助软件，可 以直接得到特定场景中的变化分布图，帮助客户准确而直观地进行照明设计。但 是目前这些现有的照明系统计算软件都是面向传统光源而设计的。同日寸随着计算 机功能的不断增强，系统仿真技术得到飞速发展，其发展领域从试验困难、条件 危险、费用极高的航空、航天、武器系统等少数领域，逐渐扩大到花费大，耗时 长、试验不便的化工、电力等领域，进一步扩大到交通、环境、生态、生物等几 乎所有领域，并逐步发展为一门独立的学科。 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 传统的数字仿真技术主要用于科学计算。复杂系统仿真应用需求的不断增 加，使这种以数学模型为中心的仿真系统，无论是对建筑过程的描述，还是对仿 真结果的分析，都十分复杂，而且很难得到整体、形象、直观的仿真结果，无法 及时判断与决策，甚至可能会丢失大量有用的信息，所以计算机仿真技术的高效 和仿真结果显示的形象逼真就显得十分重要，仿真与可视化技术的结合使得仿真 可视化成为人们日益关注的问题。 因此，研究l e d 灯光照明系统的仿真具有重要的使用价值。不仅可以满足传 统光源的模拟的需要，而且可以实现l e d 光源的颜色变幻的计算和仿真。这对于 提高客户满意度，降低项目实施的费用，提高经济效益，增强产品在国内国际市 场上的竞争力具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究概况及发展动态 1 2 1 计算机仿真技术发展状况 进入2 0 世纪9 0 年代以来，计算机仿真与信息技术、计算机技术、网络技术、 软件工程、图形学、多媒体技术等相互交叉、渗透及融合，其研究与应用工作受 到世界各国的重视。计算机仿真技术应用更是不断向广度和深度拓展。 随着复杂系统仿真应用需求的不断提高和应用领域的不断扩展，计算机仿真 技术己从纯数字仿真，实物在回路中的半实物仿真，发展到能在回路中实现虚拟 环境仿真技术的新阶段。仿真系统也由单计算机系统发展为多计算机系统，由 c l i e n t s e r v e r 结构发展为分布式仿真系统。而且在分布仿真领域又从 d i s ( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ) 规范发展为h l a ( h i g hl e v e l a r c h i t e c t u r e ) 体系，建立了在一个广泛的应用领域内分布在不同地域上的各种 仿真系统实现互操作和重用的框架及规范。 在仿真可视化方面，由于计算机生成逼真感图像的功能以及虚拟现实 ( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术迅速发展，仿真技术环境日趋完各，使现代仿真注入了 新的活力，飞行器模拟、虚拟战场、虚拟样机、虚拟制造等都是虚拟现实技术的 典型应用。先期用于军事的仿真标准及技术相继转入通用仿真环境。 现代仿真技术，即系统仿真是以系统论、控制论、计算机科学的发展为前提 2 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 的。系统仿真技术是以计算机作为模型的载体。2 0 世纪4 0 年代计算机的诞生是 作为现代仿真技术的开始。组成系统仿真技术的三个要素是系统、模型、计算机。 仿真技术伴随着电子技术、计算机技术、控制技术的发展而不断发展，其发展历 史如表1 1 所示。 年代重要事件 1 6 0 0 以物理模型为基础的仿真，用于建筑与造船 1 9 4 0 1 9 6 0 研制出第一台模拟计算机和第一台数字计算机 类比( 模拟) 仿真应用于航空领域 1 9 7 0 1 9 8 0 研制成功可用于实时仿真的全并行数字仿真计算机a d l o 连续系统仿真c s s l 标准文本推广； 高级连续系统仿真语言a c s l 仿真技术在社会、经济系统中应用 离散事件动力学仿真d e d s 方法及语言发展及应用 1 9 8 0 1 9 9 0提出模型库、参数库、试验框架及全局建模的概念 建模仿真一体化仿真软件系统t e s s 公布 复杂系统建模与仿真方法学研究 1 9 9 0 2 0 0 0 分布交互仿真d i s 及分布仿真环境d s e 开发与研究 虚拟仿真环境v s e 及互联网仿真环境w s e 的研究 仿真应用于军事对抗、企业管理、决策等复杂系统 表1 1 仿真技术发展过程 1 2 2 国内外视景仿真技术发展动态 视景仿真技术是仿真动画的高级阶段，是虚拟现实( v r ) 技术的最重要的表现 形式。随着各项技术的发展和计算机图形功能的增强，国内外越来越多的研究人 员将采用视景仿真技术来探索自然的奥秘，如进行战术仿真模拟、设计并组装虚 拟样机等方面的研究。 1 2 2 1 国外发展动态 美国是v r 技术的发源地，美国视景仿真研究技术的水平基本上就代表国际发 展的水平。现在美国宇航局( n a s a ) 己经建立了航空、卫星维护v r n 练系统，空间 站v r i jr l 练系统，并且已经建立了可供全国使用的v r 教育系统。 美国的m u l t i g e n p a r a d i g m 公司开发出的三维实体建模三维视景运动控制 工具m u l t i g e n v e g a ，被公认为当今最优秀的软件之一。m u l t i g e n p a r a d i g m 公 垒彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 司提出的o p e n f l i g h t 数据组织标准，成为事实上实时动态交互视景工业标准。其 软件低层采用美国s 0 1 公司提供的o p e n g l 接口标准。 美国c g 2i n c 也推出强有力的实时三维图形开发工具v t r e e ，实现视觉仿真、 实时场景生成、娱乐冒险环境模拟、任务训练、事件重现等应用。 美国m a kt e c h n o l o g i e s 开发出著名的v r - l i n k ，用于利用m a k 公司的v r l i n k 网络工具包，你可以很容易地快速地利用美国国防部( d o 功的d i s 协议或新的h l a ， 通过连接网络上成百上千个三维仿真器，来模拟多武器系统之间的协同或对抗。 加拿大v i r t u a lp r o t o t y p e s ( v p i ) 公司推出的实时仿真与训练环境s t a g e 平 台主要用于大型航天、航空、国防、作战实时动态交互视景仿真支撑。 土耳其i n f o t r o ni n c 的v s i ( v e g as t a g ei n t e r f a c e ) 是一个自动把v e g a 和 s t a g e 集成在一起的软件。它极大程度地减少了可视化战场环境所需的源代码的 开发。 日本也在当前实用视景仿真技术的研究与开发中是居于领先位置的国家之 一，主要致力于建立大规模视景仿真知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面 的研究也做了很多工作。东京大学的原岛研究室开展了3 项研究：人类面部表情特 征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。东京大学的广 獭研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的 局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。 英国在视景仿真的某些方面在欧洲是领先的。d i m e n s i o ni n t e r n a t i o n a l 是 桌面视景仿真的先驱。许多学术界和工业界的用户喜欢该公司基于p c 4 8 6 系统提 供的优质图像和实时交互特性。 国外在传统灯具照明仿真计算方面研究起步比较早，技术水平也比较高，在 某些方面已经取得了相当的成果。目前国外的相应软件在传统光源的仿真方面， 已经可以在用户自己构建的3 d 空间里进行灯光的仿真计算，并提供出相应的专 业计算数据，例如：等照度曲线图、灯具数量表及总负载表等。在工程应用方面， 可以提供相应的灯具施工图，方便了工程人员的施工。并且，这样的软件基本上 都附带个或若干个灯具厂家的灯具库，可以直接从库中选择和添加所需要的灯 具。 国外的照明仿真软件主要代表是德国d i a 公司的产品d i a l u x 。目前，d i a l u x 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 在欧洲已经处于照明仿真计算软件的领导地位，并得到了p h i l i p s 等灯具厂商的 认可和支持，该软件并带有这些厂家生产的灯具库，每个灯具档案内包含有配光 曲线，灯具的数据、图形、造型、结构资料，真实显现灯具在空间中的数据值及 照度等资料，该软件主要适用于室内和街道的照明仿真和计算，并且能够为工 程单位的旌工提供完整的数据报表和施工图。 1 2 2 2 国内发展动态 与国外的研究水平相比较，我国视景仿真技术还有一定的差距，但己引起政 府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展视景仿真技术 的研究，例如，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都 把v r 列入在研究项目计划之内。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校， 已积极投入到这一领域的研究工作中。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行v r 研究、最有权威的单位之一， 他们进行了一些基础知识方面的研究，实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提 供实时三维动态数据库和开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有 关单位的远程连接。 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫 游系统，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同 时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高 的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进 网格的快速生成算法。 哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图 像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时的头势和 手势动作，话音和语调的向步等。 北方工业大学c a d 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，关 于虚拟现实的研究己经完成了2 个“8 6 3 ”项目，完成了体视动画的自动生成部分 算法与合成软件处理。 另外，西北工业大学c a d c a m 研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研 究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 电子工程与科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。 而在l e d 灯具仿真方面，与国外的研究水平比较，国内厂商和科研机构仍然 存在一定的差距，但目前也取得了较大的进步，国内类似产品有广州大恒一惠州 雷士照明合作开发的一套软件，该软件基本功能与d i a l u x 类似，具有室内照明 计算和分析以及等照度曲线图绘制等功能。 1 2 3 计算机仿真技术的发展前景 仿真技术发展的一个重要目标是一建立起使人身临其境的“交互式模拟现实 世界”世界能使人感知到方向、听觉、视觉、嗅觉、味觉。为此，人们开展了大 量与之有关的方面研究，同时仿真技术的可视化与动画已有相当的发展。 仿真本质上是一种知识处理的过程，典型的系统过程包括系统模型建立、仿 真模型建立、仿真软件设计、仿真试验和数据分析处理等。它涉及多学科多领域 的知识与经验。随着现代信息技术的高速发展，系统仿真已跻身于高新技术领域， 使系统仿真与人工智能技术、并行处理技术、分布式仿真、优化理论、三维图象 处理技术以及多媒体技术等融合为一体，并逐步步入虚拟现实仿真、互联网上仿 真以及群策略仿真等领域，成为人们认识和发展客观世界的新工具，给人们提供 了扩展视野的机会，给人们认识和发展客观世界的新工具。同时仿真技术也得到 了飞速的发展，在军用和民用领域中的应用更是不断向广度和深度拓展，同时又 促进了仿真技术本身的进步。国际上许多国家在“仿真是迄今为止最有效的综合 集成方法，是推动科技进步的战略性技术”这一观点上已达成了共识，显然，2 1 世纪仿真技术的研究与应用将取得更大的发展。 随着计算机技术的不断发展，系统仿真中出现了许多新的技术手段和发展动 向：i 、一体化仿真是指具备仿真和实验统一的环境，能将仿真实验阶段的结果 反馈到建模阶段。2 、分布交互式仿真这类仿真是指系统将分布在不同地点，通 过计算机网络进行集成，从而实现更大规模的综合训练。3 、面向对象的仿真是 指利用面向对象技术在仿真系统中的应用。计算机辅助仿真建立并封装了对象相 应的数据和数据操作的程序模块，作为对象的模型，系统行为则由对象间通过接 口相互交换信息来描述。4 、多媒体仿真是对传统意义上数字仿真概念内涵的扩 展，它利用仿真分析的原理和信息技术，以更加接近自然的多媒体形式建立描述 6 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 系统内在变化规律的模型，并在计算机上以直观的形式再现系统的动态演变过 程。多媒体仿真充分利用文本、图形、图片、二维三维动画、影像和声音等多 媒体手段，将可视化、临场感、交互、引导结合在一起产生真实感，使仿真的人 机交互方式向自然更靠近了一步。5 、智能仿真指的是建模者仅仅需要宣布关于 系统的知识( 目的、事实及规则的描述) ，定义仿真目标、然后让计算机自动去 寻找解答。 同时近些年随着系统仿真技术功能的增强，系统仿真越来越应用于社会发展 的各个层次，系统仿真的应用前景也越来越广泛。 本课题的目的是为了能够高起点地、快速地进入城市亮化工程的市场而研 究、开发全彩l e d 装饰照明系统。 1 3 课题研究的技术难点及主要工作 1 3 1 技术难点 ( 1 ) 如何构建l e d 灯具库，以便在仿真显示的时候随时调用各种 灯具并模拟出场景变化效果图。 ( 2 ) 解决单片机与上位p c 机的通信及如何提高通信效率。 ( 3 ) 如何将采集到的数据在上位p c 机v i s u a lc + + 开发平台下更 好的仿真显示，实现照明系统的全自动控制，效果图的重现。 i 3 2 研究内容 近来，国内外在视景仿真技术方面，已能够实现视景实时仿真。而本课题力 图对人们所关注的城市休闲娱乐的景观灯实现效果的仿真，并能够对每一个单元 效果进行独立编辑，整体效果的协调。产生效果数据文件，能够对数据文件统一 管理，同时可以任意编辑每个时间片的l e d 显示效果，并能够模拟预览显示整体 效果，同时对显示效果进行数据库管理。本文主要在以下方面展开研究： ( 1 ) 如何提高系统的实用性( 包括硬件、软件的可继承性以及可移植性) 。 ( 2 ) 系统的软件设计( 系统的控制接口驱动程序设计、单片机与上位p c 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 机之间的通信软件设计) ，要考虑它的程序优化型、资源的合理利用等。 ( 3 ) 建立效果编辑模型。用面向对象方法为系统中的灯具建立计算机数据 模型，为景观艺术工程师设计l e d 景观照明效果方案提供一个友好的e d a 工具； 效果数据同时可以为效果仿真程序提供仿真模型。 ( 4 ) 系统控制及管理软件的设计 a 、实现照明系统的全自动控制，效果图的重现，照明方案的实时更改。 b 、本控制系统的构成是模块化的，可以根据需求组成任意大小的照明 系统。 本文由六章组成，其中第一章“绪论”重点介绍了计算机仿真发展的目前状 况及国内外视景仿真技术发展动态，仿真技术在照明系统中的意义和本课题的主 要技术难点。在第二章“l e d 照明系统的总体设计”中，阐述了l e d 照明系统的 特点，提出了系统的控制设计方案。在第三章“l e d 灯具库的建立”首先简单的 叙述了l e d 灯具发展历程及现状和l e d 灯具的优点，根据产品数据管理理论及 面向对象的分析需求方法建立产品数据的模型。第四章“l e d 照明系统的仿真研 究”简单的阐述了仿真系统，三维视景生成的原理，重点叙述了本系统的3 d 图 形编程接口o p e n g l 。第五章“l e d 照明系统仿真的实现”首先简述了整个照明系 统的组成、系统的工作原理、系统的主要硬件技术参数及系统的特点，然后叙述 了仿真系统的软件结构。最后一章“全文总结与展望”主要是对本文进行了简单 的总结，并对仿真技术应用于照明系统的发展进行了展望，认为仿真技术应用于 l e d 照明系统是发展必然趋势。 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 第二章l e d 照明系统的总体设计 2 1l e d 照明系统的特点 由l e d 灯具作为光源的照明系统，既有普通照明灯具的很多特性，例如光强、 色温等，可以在一定程度上参考普通灯具的总体设计方案来解决，但由于其结构 和封装方式上与普通的照明灯具存在很大的差异，其表现特征也存在着很多不 同。本照明系统的特点主要体现如下： 1 、系统的规模比较大，该系统是由若干个不同类型的l e d 景观灯模块组成。 这些景观灯模块包括：大型灯具、草坪灯、护栏灯、水灯、射灯等。每个模块都 是由大量的发光点组成。如一个护栏灯中每1 0 0 米要达到4 0 0 个发光点，一个中 型的照明灯具可达到6 0 0 个发光点。 该照明系统是国家半导体照明工程的全彩l e d 景观照明试点的样板工程，目 的是为了美化科技园，为员工提供一个休闲娱乐的场所，因此每个模块之间的距 离较大，各种灯具分散很广，最多可达到几百米。 2 、本控制系统的构成是模块化的，可以根据用户的需求组成任意大小的照 明系统，适应任何场合的照明需要，比如城市景观照明、休闲娱乐场所等。 3 、实现照明系统的全自动控制，效果图的重现，照明方案的可实时更改。 灯具在一个时间段内显示已经预先设置好的变化效果，这个时间段内周期越长显 示的效果就越丰富。在本系统中要求能够做到2 个小时没有重复的变化。照明的 效果是由三个基本类型构成的，渐变、跳变、静止。每种类型都由不同的灰度组 合而成产生更多的效果模式，在理论上可以达到2 5 6 种不同的效果元素。进而对 这些效果元素进行排列组合可以产生场景效果。根据景观灯的美化要求，场景效 果模式应该是丰富多彩，旋律优美、欢快节奏。 4 、场景效果可以进行编辑和仿真，针对不同类型的景观，编辑系统能够对 面向景观模型对其效果进行编辑。编辑产生的效果可以作为组件的形式进行保存 和调用。效果数据能够被所有模块识别。 ( 1 ) 在计算机上建立和物理模块对应的模型，能够三维显现出灯具的效果， 灯具模型同样以组件的形式存取，可以创建效果组件，并对组件在时间和空 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 间上进行排列组合产生我们需要的变幻效果。 ( 2 ) 景观系统的效果不是一成不变的。半导体景观装饰工程可以根据需要 播放出特定的效果方案：并且效果方案可以被用户按照设想进行更新、增加。 ( 3 ) 景观效果同时能够被实时的传递给效果仿真程序，使得仿真程序可以 根据效果数据准确的再现景观效果，需要的时候可以和系统同步仿真。 2 2l e d 照明系统的系统构架 2 2 1 系统的分层结构 根据不同的应用场合的需要，l e d 照明系统的总体设计方案也不尽相同，但 是对于这些方案的基本原理是相同的。考虑到不同的景观灯的模块的特点及其差 异，在该照明系统的系统构架采用分层结构，其结构如图2 1 所示。使得从效果 方案到功能管理模块，最后到控制l e d 灯光的节奏的变化模块完全分开，每一层 的设计和实现都是对上一层的解释和细化。该系统的分层体系结构，能够很好的 反映系统的特点，使得系统的结构性更合理。 。 耩景效拳 _ 一 _ 一 誊场景囊累一： ：i 。冀强： ：i 鋈囊戮 i 懑效慕黧： t - 一： 2 2 系统的设计方案 图2 1 系统的分层结构 从目前国内技术发展来看照明系统的控制方案可以归纳为：1 ) 集中管理控 制模式：2 ) 分散管理独立控制模式。 从本系统的特征来看，可以根据用户的需求组成任意大小的照明系统，适应 1 0 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 任何场合的照明需要。在该系统中对于每个模块的控制采用分散管理，独立控制 的模式。其工程的示意图如图2 2 所示。每个发光点都是用一个带有通讯口的单 片机来控制色彩的变化：可以将l e d 灯具的色彩控制权分散到每个发光点。处理 器只需完成对整体效果数据的管理和数据通信，不需实现对每个发光点的控制。 图2 2 工程的示意图 一个具有三基色的发光点只要通过单片机的3 个控制端口来控制其亮灭，进 而使得能产生不同颜色的变化，从而产生不同的灰度，达到全彩的效果。 该方案的优点在于：所有的发光点都是有单片机来控制，主机通过串行口来 提供数据。同时可以根据不同的l e d 灯具选择不同的单片机，在发光点比较集中 的灯具区域选择一个功能更强大的单片机来控制多个发光点；而对于每个独立的 发光点只需要一个简单的单片机来控制。 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 整个照明系统是由若干个不同的类型l e d 景观灯模块组成的，草坪灯、射灯、 水底灯单元模块中灯具分散分布，采用分散式独立控制。由于是单灯控制，每个 控制器处理三路l e d ，所以对处理器性能要求不高，要求电路连接线尽量简单， 供电方式分散。所以本系统采用了飞利浦公司生产的具有串口功能的简化处理芯 片p 8 9 l p c 9 0 8 。由于它内置了串口、f l a s h ，对供电要求不高，所以基本上不用 再扩展其它芯片，减小了处理板的体积，便于安装和施工。单个l e d 灯具是由芯 片p 8 9 l p c 9 0 8 来控制的，该系统中的大型灯具，为了体现其变化多姿艺术效果， 在每层采用了一个离性能的飞利浦p 8 9 c 6 6 8 x 型号单片机进行控制其色彩的效果 的变化。这样可以达到效果数据根据自身的控制方式不同编译自己能够识别的数 据格式，最后产生预期的效果。下面简单介绍下这两款单片机的性能特点： l 、p h i l i p s8 9 c 6 6 8 x p 8 9 c 6 6 8 x 单片机内带6 4 k bf l a s h 存储器，该存储器既可并行编程也可以串 行在系统编程( i s p ) 。在实际的成型产品中，可通过i s p 升级用户程序。在b o o t r o m 程序中，可通过一个默认的串行下载器( u a r t ) 对f l a s h 存储器作i s p 编程， 而在f l a s h 代码区中并不需要有调用下载器的代码，用户程序可通过调用在b o o t r o m 中的标准子程对f l a s h 存储器擦写和再编程( 即i a p ) 。其指令集在执行和时 序上和8 0 c 5 1 指令集完全兼容。该器件有4 个8 位i o 口，3 个1 6 位定时事件 计数器，1 个多中断源一4 优先级一嵌套的中断结构，1 个增强型u a r t 以及片内 振荡器和时序电路。p 8 9 c 6 6 8 的新增特性使其成为一个功能强大的单片机，它 可应用与那些需要p w m ，高速的i o 和递增递减计数功能的场合。 该单片机在2 4 m h z 晶振下工作。指令周期为2 5 0 n s 。大型灯具的最底层为2 4 个发光点，共需要7 2 路p w m 输出。为了极大的提高定时器中断服务程序运行速 度，采用了汇编编码的方法，可以直接对位单元进行操作，避免了耗时的移位操 作。另外使用连续的外部地址进行操作，地址程线性排列，只需做简单的i n c 操作，这样可以避免了反复寻址操作的麻烦。 2 、p h i l i p s8 9 l p c 9 0 8 飞利浦公司生产的p 8 9 l p c 9 0 8 是一款单片封装的微控制器，封装形式微小、 成本低的8 脚s o p 。适合于许多要求高集成度、低成本的场合。可以满足多方面 的性能要求。p 8 9 l p c 9 0 8 采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2 到4 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 个时钟周期。6 倍于标准8 0 c 5 1 器件。p 8 9 l p c 9 0 8 集成了许多系统级的功能，这 样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。它具有以下基本特 性： e l k 字节的可擦除f l a s h 程序存储器，就有2 5 6 字节的扇区和1 6 字节的页。单个字节擦除功能允许程序存储器的任何字节可用 作非易失性数据存储器。在本工程中它被分成两个区域各1 2 8 字节大小，可以用来存放l e d 控制字节。 e 1 2 8 字节r a m 数据存储。足够存放6 4 个字节一帧的通讯数据。 各1 6 位计数器定时器( p 8 9 l p c 9 0 7 的定时器) 可以配置成溢出时 触发断口输出，或用作p w l f 输出。 选择高精度片内r c 振荡器时不需要外接振荡器件，可选择r c 振 荡器选项并且其频率可进行很好的调节。 增强型u a r t 。具有波特率发生器、间隔检测、桢错误检测、自动 地址识别和通用中断功能。 看门狗定时器具有片内独立振荡器，无需外接元件。看门狗定时 器预分频器有8 种选择。 2 2 3 照明系统的技术参数 该照明系统涉及的硬件技术参数如2 1 表所示： 单位最底最高备注 工作环境温度摄氏度 一1 05 0 储存环境温度摄氏度 02 0 供电电压伏特 2 1 0 2 5 0交流 工作电压伏特 3 43 8直流 工作电流安培 78 5 额定功耗瓦特 9 0 6 实际功耗瓦特 2 7 9 表2 1 系统的硬件技术参数 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 2 3 系统组成及工作原理 l e d 全彩照明系统是由以下几个模块组成：远程系统管理模块，远程通讯模 块，单元管理模块，单片机控制模块，l e d 显示模块。该系统的结构框图如图2 2 所示 图2 2 系统结构框图 远程系统管理模块主要功能包括： l 、自动生成、显示及表达场景照明布置图：针对某个特定的广场图片，用 户可以生成场景内照明位置的二维分布图。 2 、在每一个安放位置用简单的方式选择安置合适的灯 球灯、护栏灯、景 观灯( 用二维表示) ，并提供调整参数的方便界面。 3 、提供灯光动态组合的几面：用户可以定义某种动态组合方式，并在效果 图上观察其变化结果；( 即按情景模式控制) ；根据用户需求，用户先定义一些具 体的场景( 即一帧画面) ，由这些场景组成一些情景模式( 即一段连续的图像) ， 然后由这些情景模式可以任意组成任意时间长度的现场实际情况( 由配置文件完 成) 。 4 、自动生成控制数据：根据用户所定义的灯具安装方式自动生成照明控制 信息，并进行保存。 1 4 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 j 、远程系统管理模块与下级模块的连接拟采用无线通信模块或通过局域网 连接。要求该系统能够控制现场每一个端口的l e d 的2 5 6 级灰度；每个显示周期 可以任意设置( 0 6 5 5 3 5 ) ；每个显示周期内的时间片可任意设置：并可以任意 编辑每个时间片的l e d 显示效果，同时能够模型预览显示效果，具有直观简洁的 可视化用户界面并可以精确控制；对显示效果进行数据库管理。 根据实际需求，本系统采用5 个控制模块，其系统的硬件控制结构图如2 3 所示。 图23 系统的馊件控制j 璺| 每个模块均可通过r s 一4 8 5 接收并存储上级a r m 控制模块的数据，模块l 是 主模块，负责对整个景观灯的同步。 景观灯有两种工作模式，一种是单灯模式，当没有上级控制模块时可以按自 有模式运行，自有模式可以在线更换。另一种是实时模式，通过接收上级控制模 块的信息对每个灯进行控制。 2 4 本章小结 本章首先给出了l e d 照明系统的特征，对系统构架进行了详细的分析，进而 得出了系统的分层结构和系统的控制设计方案一分散管理独立控制模式。并在 此基础上描述了照明系统的组成。 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 3 1 概述 第三章l e d 灯具库的建立 3 1 - ll e d 灯具发展历程及现状 用半导体p n 结或类似结构把电能转化成光能的元件称为发光二极管l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ，由于这种发光效应是由注入的电子和空穴复合而产 生的，因此也被称为注入式电致发光。l e d 灯具则是利用固体半导体芯片作为发 光材料，当两端加上正向电压，半导体中的少数截流予和多数截流子发生复合， 放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫和白色 的光“1 。它的照明机理是沿用电视视频r g b 成像原理，分别产生r g b 点光源， 照射于漫射玻璃，形成混合光得到照明光源。 全球第一款商用化发光二极管( l e d ) 是在1 9 6 5 年用锗材料做成的，其单价为 4 5 美元。随后不久m o n s a n t o 和惠普公司也推出了用g a a s p 材料制作的商用化 l e d 。这些早期的红色l e d 每瓦大约能提供0 1 流明( 1 u m e n s ) 的输出光通量，比 一般的6 0 至1 0 0 瓦白炽灯的1 5 流明要低上1 0 0 倍。 1 9 6 8 年，l e d 的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使g a a s p 器件的效 率达到了1 流明瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。到1 9 7 1 ，业界又推出 了具有相同效率的g a p 绿色裸片l e d 。 1 9 7 2 年开始有少量l e d 显示屏用于钟表和计算器。全球首款采用l e d 的手 表最初还是在昂贵的珠宝商店出售的，其售价竟然高达2 ，i 0 0 美元。几乎与此同 时，惠普与德州仪器也推出了带7 段红色l e d 显示屏的计算器。 到2 0 世纪7 0 年代，由于l e d 器件在家庭与办公设备中的大量应用，l e d 的 价格直线下跌。事实上，l e d 是那个时代主打的数字与文字显示技术。然而在许 多商用设备中，l e d 显示屏也逐渐受到了来自其它显示技术的激烈竞争，如液晶、 等离子体和真空荧光管显示器。 为此我国第一批发光二极管开始进入市场。1 9 7 1 年业界又推出了具有相同 效率的g a p 绿色芯片l e d 。8 0 年代早期的重大技术突破是开发出了a i g a a sl e d ， 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 它能以每瓦1 0 流明的发光效率发出红光。1 9 9 0 年，l e d 业界又开发出了红光四 元a i i n g a p 材料l e d ，它的发通量比当时标准的g a a s p 器件性能要高出1 0 倍。 在1 9 9 1 年至2 0 0 1 年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用 化l e d 的光通量提高了将近2 0 倍。在1 9 9 0 年左右推出的基于炭化硅( s i c ) 芯 片材料的l e d 效率大约是0 0 4 流明瓦，发出的光强度很少有超出1 5 m c d 的，1 9 9 1 年日本东芝公司和美国h p 公司研制成i n g a a l p 6 2 0 n m 橙色超高亮度l e d ，1 9 9 2 年g n a l p 5 9 0 n m 黄色超高亮度l e d 实用化。同年，东芝公司研制i n g a a i p 5 7 3 n m 黄绿色超高亮度l e d ，法向光强达2 c d 。在1 9 9 4 年日本目亚公司研制成 i n g a n 4 5 0 n m 蓝色超高亮度l e d 。为此彩色显示所需要的三基色r g b 达到了坎德拉 级德发光强度，为实现全彩的照明系统所需要的提供了硬件上的准备。至此，彩 色显示所需要的三基色红、绿，蓝及橙、黄多中颜色的l e d 都达到了坎德拉级的 发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使发光管的户外全色显示成为现实。同 时1 9 9 8 年l u m i l e d s 公司运用大尺寸芯片封装出i 律级的大功率器件，这在世界 上第一次使得半导体光源进入了普通照明领域有了可能。 e l 本、美国、欧盟、韩国等国近年来都相继推出国家半导体照明计划，制定 了鼓励发展l e d 技术和产业的主导性产业政策，投入巨资进行研发和生产。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 ) 的计划，即“下一代照明计划”。 这项计划提案的目标就是要联合产业界、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。日本为了发展高亮度l e d 半导体照明，于1 9 9 8 年 启动“2 l 世纪光源计划”，这个计划由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。2 0 0 2 年全世界l e d 产值为3 2 8 亿美元，台湾的产值为 8 6 7 亿美元占全世界l e d 产值为3 2 8 亿美元，台湾地区也提出了“次世代照明 光源开发计划”，并于2 0 0 2 年9 月积极协助国内十一家l e d 厂商成立“次世代照 明光源研发联盟”，进行高亮度白光l e d 的研发和开发。我国“国家半导体照明 工程计划”是由国家科技部发起，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，国家半导体照明工 程协调领导小组成立并召开的第一次会议，标志着我国半导体照明工程开始启 动。而江西的半导体照明工程的开发是以江西联创股份公司为基地。 全彩l e d 照明系统的仿真研究与实现 3 1 2l e d 灯具的优点 l e d 已经3 0 的历史，广泛应用指示灯，大屏幕显示等，由于采用半导体l e d ( 发 光二极管) 照明除了具有节能、环保和长寿命等优点，同时具有独特的照明原理 和灵活的控制方式，与传统灯具相比较而言，它的优点主要表现在：l 、多变幻。 l e d 光源可利用l e d 在电流瞬间通电