（计算机软件与理论专业论文）大型半导体景观全彩照明控制系统的研究与实现.pdf

大型半导体景观照明垒彩控制系统的研究与实现 摘要 本文采用集中管理、分散控制模式，结合半导体照明在景观装饰特殊领域中的应用， 从理论和实践角度详细分析和研究了如何构建大型半导体全彩装饰照明系统，提出了一个 理论模型和工程实例。通过对两种传统控制模式的分析，提出了分层管理的系统结构模型， 同时从l e d 发光管和光混合色原理论证了半导体实现全彩变化的可行性，并深入的探讨了 如何构建一个完整的软件体系结构。文中详细阐述了如何采用面向对象技术对l e d 灯具进 行建模；提出了将数据代码解释模块、l e d 控制模块、数据传输模块分散处理的方法；重 点介绍了代码解释模块和l e d 全彩控制模块的数据结构和程序流程，最后具体的论述了系 统的实现过程。在工程的应用中，参照动画处理中的双缓冲技术，提出了一种通信区、播 放区逻辑分开的双缓冲机制，极大限度的扩大了微处理的有限存储资源；并利用总线复用 方式扩展了处理器的i o 处理能力；通过在软件中运用定时器中断方式产生的大量p w m 输出来控制l e d 的灰度。整个工程具有实际应用价值和推广价值。 关键词：d c s ，国家半导体照明工程，景观照明，p w m ，面向对象 茎型量堡墨翌墨塑全墅堡型至堑塑翌塞皇塞垫 a b s t r a c t o nt h em o d e lo fc o n c e n t r a t em a n a g e m e n ta n dd i s t r i b u t e dc o n t r o l ，t h e a r t i c l e ，w h i c h c o m b i n e dw i 吐lt h ea p p l i c a t i o no fs e m i c o n d u c t o ri l l u m i n a t i n gi nt h es p e c i a ld o m a i no fl a n d s c a p e o r n a m e n t ，n o to n l ya n a l y z ea n ds t u d yh o wt oe s t a b l i s has y s t e mo fs e m i c o n d u c t o rf u l l c o l o r o r n a m e n tl i g h t i n gb u ta l s op u tf o r w a r da t h e o r ym o d e la n dar e a le x a m p l ei np r o j e c t w = 【t 1 1t h e a n a l y s eo ft w ot r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d e l ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r dt h e s y s t e mm o d e lo f d e l a m i n a t i o nm a n a g e m e n tf i r s t l y , a n dt h e nd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo fr e a l i z i n gt h ef u l l c o l o r c h a n g ew i t hs e m i c o n d u c t o rb a s e do nt h et h e o r yo fl e da n dm i x t u r ec o l o ro fl i g h t i nw r i t i n g t h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o rt r yt og i v es o m eu s e f u ls u g g e s t i o no nh o wt oc o n s t r u c taw h o l es o f t w a r e s y s t e ma n di l l u s t r a t ed e t a i l l yh o w t oe s t a b l i s ham o d e lf o rl e dw i t ha d o p t i n gt h et e c h n i q u eo f o b j e c to r i e n t e d b e y o n dw h a th a sb e e ns t a t e da b o v e ，t h e r ei sa n o t h e ri m p o r t a n tt h i n gm u s tt ob e m e n t i o n e d ：s o m en e wm e t h o dw a su s e di nt h i sa p p l i c a t i o n s u c ha s ，i ts e p a r a t et h ed a t ac o d ee x p l a i m ，l e dc o n t r o la n dd a t at r a n s m i ti n t od i f f e r e m m o d e li no r d e rt op a r a l l e lp r o c e s s f u r t h e r m o r e ，c o n s i d e rt h ed o u b l e b u f f e rt e c h n i q u eu s e di n d e a lw i t hm o v e p i c t u r e ， i t p u t f o r w a r dad o u b l e - b u f f e rm e c h a n i s mt h a td e r i d et h e c o m m u n i c a t i o na r e aa n dt h ep l a ya r e ai n t ot w od i f f e r e n tl o g i c a lp a r t si no r d e rt om a k ef u l lu s eo f t h el i m i t e dr e s o u r c eo fs t o r a g e ；a n da d o p tt h em u l t i p u r p o s eo f t h eb u st oe x t e n dt h ei oc a p a b l e o f p r o c e s s o r ；m a du s et h em a n yo f o u t p u tp w m ，w h i c hw a sp r o d u c e db yt i m e ru s e di nf i r m w a r e ， t oc o n t r o lt h eb r i g h t n e s so fl e d a tl a s t ，t h ea u t h o rt a k et h ec o d ee x p l a i nm o d e la n dt h el e d f u l c o l o rc o n t r o lm o d e la sa ne x a m p l e ，i l l u s t r a t ei t sd a t as t r u c t u r ea n dp r o g r a m m ef l o wc h a r ti n d e t m l ，a n dg i v et h ei m p l e m e n to f t h i ss y s t e m i naw o r d ，t h ew h o l ep r o j e c ti sw o r t h yt ob ea p p l y a n db e c o m ew i d e s p r e a d k e yw o r d ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，n a t i o n a lp r o j e c to fs e m i c o n d u c t o ri l l u m i n a t i n g ， o r n a m e n tl i g 硒n g ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，o b j e c to r i e n t e d 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 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：两、；斌 签字日期：杂碗f 年印月必日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹墨圭鲎 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。本人授权南昌文学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：崎字j 叭 签字臁谤瞬4 月2 扣 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：的蓐虢 = 工扯字p 曳 通讯地址：南垮弓上凌南潞 导师签名： 海针 签字目期：如年华月导日 电话： 邮编：；歹口o l ， 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 第一章绪论 1 1 半导体照明技术的概念及其发展简介 1 1 。1 半导体材料基本知识 5 0 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1 9 6 0 年。 l e d 是英文l i g h t e m i 牡m g d i o d e ( 发光二极管) 的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体 材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以l e d 的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在p 型半导体和n 型半 导体之间有一个过渡层，称为p - n 结。在某些半导体材料的p n 结中，注入的少数载流子与多数 载流子复合时把会多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。p n 结加反向 电压少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极 管，通称l e d 。当它处于正向工作状态时( 即两端加上正向电压) ，电流从l e d 阳极流向阴极 时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 1 1 2 半导体器件的发展历程 全球第一款商用化发光二极管( l e d ) 是在1 9 6 5 年用锗材料作成的，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o 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n ( 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o 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0 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 ，1 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。 大型半导体景腰照明龟彩控制系统的研究与实现 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 是那个时代主要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。 这种竞争性激励l e d 制造商进一步拓展他们的产品类型，并积极寻求l e d 具有 明显竞争优势的应用领域。此后l e d 开始应用于文字点阵显示器、背景图案用的灯 栅和条线图阵列。数字显示屏的尺寸和复杂度在不断增长，从2 位数字到3 位甚至4 位，从7 段数字到能够显示复杂的文字与图案组合的1 4 或1 6 段阵列。到1 9 8 0 年制 造商开始提供智能化的点阵l e d 显示屏。 8 0 年代早期的重大技术突破是开发出了a 1 g a a sl e d ，它能以每瓦1 0 流明的发 光效率发出红光。这一技术进步使l e d 能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央 高位安装停止灯( c h m s l ) 设各。1 9 9 0 年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红 色器件性能的a i l n g a p 技术，这比当时标准的g a a s p 器件性能要高出1 0 倍。 今天，最亮的材料应是透明基底a i l n g a p 。在1 9 9 1 年至2 0 0 1 年期间，材料技术、 裸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。 1 1 3 照明技术的三次变革 人类照明领域的第三次革命 人类文明的发展与照明进步息息相关。 当人类高高举起第一根火把时，就开始了照明领域的第一次革命。人类从此有了 自己能够控制的光源。 1 8 7 9 年，爱迪生发明了第一只白炽灯( 碳丝白炽灯) ，在开始第二次照明领域革 命的同时，也拉开了人类现代文明的帷幕。 在专家们眼里，固态照明带来的第三次照明领域的革命，其意义绝不亚于前两次 照明领域的革命。因为，固态照明将成为最有效的节能和环保手段。同时，固态照明 通过改善人类生存环境、发展照明的新概念和新模式来改善和提高人类的生活质量。 随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，被誉为 “照亮未来的技术”的l e d ，渐渐走进了人们的日常生活，并将引导人们走向更加光 明的未来。 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 1 2 课题来源及其意义 面对半导体照明的历史机遇，2 0 0 3 年6 月1 7 日科技部联合信息产业部、中国科 学院、建设部、轻工业联合会、教育部等部委以及北京、上海等十一个地方政府成立 国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动“国家半导体照明工程”计划，今年又 紧急启动了国家“国家半导体照明工程产业化技术开发”重大项目，目的是打造一批 半导体照明特色产业基地，形成我国自己的半导体照明产业。在这一背景下，全国十 几个省市迅速掀起了建立国际化半导体照明工程产业化基地的高潮，江西联创光电科 技股份有限公司的半导体发光材料、芯片的生产规模在国内处于领先地位，南昌大学 在半导体发光材料的研究方面处于国内先进地位。在此基础上，联创光电集团技术中 心成立了一个“半导体照明小组”，主要任务是对半导体照明在特殊照明领域的应用， 半导体照明器件的在景观设计领域的推广和大规模装饰照明的控制系统的研究方面 做出基础和实践两方面的探讨。并斥资在联创科技园施工一个半导体装饰照明系统的 样板工程，以此工程为契机，研究出一套具有良好开放型体系结构的景观照明控制系 统，并实现一个具有代表性的样板照明工程。 课题的意义体现在以下几个方面： 节约能源，保护国家安全 我国是仅次子美国的第二发电大国，2 0 0 3 年度我国发电总量为1 9 1 万亿千瓦时， 照明用电量约占总发电量的1 2 ( 约2 1 0 0 亿千瓦时) ，相当于三峡水电站总发电量的 2 4 倍，并且正以每年5 以上的速度增长。以现有照明用电量5 的速度增长，2 0 1 0 年照明用电量将达到3 0 0 0 亿千瓦时，如果三分之一的照明市场采用半导体照明，每 年可节电3 0 ，即年节电1 0 0 0 亿千瓦时，是三峡电站年总发电量8 4 7 亿千瓦时的一 倍还多。 国家发改委根据“十六大”提出的，到2 0 2 0 年我国g d p 翻两番，达到4 万亿美元 的经济发展目标估计，到那时，全国约需发电装机容量为8 亿一8 5 亿千瓦( 而电力部门 的数字是9 - 9 5 亿千瓦) 。目前国内已有装机容量是3 5 亿千瓦，需要新增量4 5f l - 5 亿千瓦。而从我国目前的资源看，按水电资源已探明储量和以天然气与煤为燃料的火 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 电最多可提供的装机容量计算，将会有3 2 0 0 万一4 0 0 0 万千瓦的缺口。 解决我国能源危机的办法除了进行电站建设和新能源开发外，比较可行的办法是 进行节约能源的消耗。 绿色环保 中国的电力生产中约8 0 为火力发电，燃烧大量的原煤和石油，产生大量的粉 尘和c 0 2 、s 0 2 等气体，环境污染严重，l e d 景观装饰产品的应用可以减少电力使用， 也间接减少了环境污染。同时l e d 具有无频闪、耐震、耐冲击、废弃物可回收等特 点，没有白炽灯泡易碎及荧光灯废弃物含汞污染的问题等缺点。 发展自主知识产权的半导体照明新兴产业 半导体照明是目前世界研发的重点领域，许多技术尚不成熟，有形成自主知识产 权的机会，尤其是在深紫外技术、s i c s i 及g a n 衬底、g a n 外延层激光剥离、z n o 单晶膜上生长g a n 外延层等方面有可能取得关键技术突破。在景观装饰照明控制领 域，还没有形成国际的产业标准，要积极发展自己的有知识产权的控制技术，并致力 于建立照明产业包括控制系统方面的工业标准的指定，努力使它成为国际标准，使我 国在这次新兴的产业中掌握技术的主导权。 改善人民生活质量 随着经济的告诉发展，人民消费水平和消费观念的变化，发展半导体照明可以改 善生活环境，提高生活质量，有利于小康社会的建设。半导体照明色彩丰富的特点， 可以满足人们对服装、装饰、手机等时尚的需求。近几年内半导体照明应用产品市场 将在属于光色照明的各种信号灯、景观照明、橱窗照明、建筑照明、广场和街道的美 化、家庭装饰照明、公共娱乐场所美化和舞台效果照明等领域。这些都是和人们生活 息息相关的领域，可以极大的提高人们夜间精神生活的高文明需要 4 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 1 3 集散型半导体景观照明控制系统简介 1 3 1 集散式微控系统 计算机集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n c t r o ls y s t e m ，简称d c s ) ，又称分布式集 散控制系统。 以系统体系结构为标准，计算机控制系统可划分为集中控制系统( c c s ) 和分布 控制系统( d c s ) 两部分。早期工业控制大多是集中式控制系统，它的特点是由单一 的计算机完成控制系统的所有功能；优点是结构简单清晰。d c s 是在吸取了模拟仪表 控制系统和计算机控制系统优点的基础上发展起来的。它具有“分散控制，集中管理” 的优点，并且将参数显示和操作部分进行集中，具有高度的可靠性，除具有直接数字 控制、顺序控制、批量控制、前馈控制等功能外，还具有预测控制、最优控制等先进 功能。它同时采用微机智能技术，分级层次结构和局部通信技术，并具有功能丰富的 软件包，强有力的人机接口和很高的可靠性。 景观照明的控制系统可以借鉴集散式控制系统的构架模型和指导思想，屏弃一些 在工业控制领域的特殊功能，完全能够实现大规模、全彩的景观装饰灯系统控制。 1 3 2 课题的主要研究内容和研究方法 本课题来源于国家半导体照明工程的试点工程，主要是为了让半导体照明技术运用 在城市景观照明中，提出一种能够适应大规模景观群的控制系统。该系统具备分散控制 集中管理。 ( 1 ) 要解决系统的统一控制模式 为了装饰城市夜景，需要不同类型的景观灯具，使得景观灯变化多姿，缤纷各异： 同时景观灯必需摆放不同环境中，比如水底灯必须放在喷泉或者湖底，射灯必须放在景 物的四周，而草坪灯分散安放在面积较大的空旷草坪中，护栏灯要求数量较多长形灯的 连接而成。灯具的不同特点使得控制接口通信模式可能会有很到的差异。要解决这些差 异性，设计一个统一的控制接口。 ( 2 ) l e d 全彩变化的控制 传统的景观装饰照明灯，只有7 种不到的色彩，通过模拟开关的通断来表示色彩 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 的变化，无法做到色彩渐变效果，而且色彩的变化程序固化无法做第二次修改，对变化 的效果设计也是局限在产品开发前期，无法递交到工艺设计阶段完成。 本文提出了集散式l e d 控制系统，对色彩的控制提出了更高的要求，色彩变化要 求自然逼真，渐变、跳变相结合，并且提供友好的人机交互界面，让艺术效栗设计人员 可以对系统中的所有灯具进行色彩编辑。 ( 3 ) 建立效果编辑体系 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 ) 定义控制字节 在控制系统中，嵌入式处理器用固定鲍控制字节来表示处理信怠，对字节的位定 义组成一个完整的体系，成为系统开放的标准。数据间的信息传递，转换都按照定义 体系严格执行 6 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 第二章l e d 全彩控制实现原理 2 1l e d 发光机理n 1 2 1 1l e d 材料和发光机理 l e d 发光二极管的实质姓结构是半导体p - n 结，在半导体p - n 结通以正向电 流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体 p - n 结发光实质位固体发光，而各种固体发光都是共同内不同能量状态的电子跃迁 的结果。发光二极管的发光原理可以用p n 结的能带结构来做解释。制作半导体发 光二极管的半导体材料是重掺杂的，热平衡状态下的n 区有很多迁移率很高的电子， p 区有较多的迁移率较低的空穴，由于p n 结阻挡层的限制，在常态下，二者不能 发生自然复合；而当给p n 结加以正向电压时，由于外加电场方向与势垒高度降低， 势垒区宽度变窄，破坏了p n 结动态平衡，产生少数载流子的电注入。空穴从p 区 注入n 区，同样电子从n 区注入到p 区。注入的少数载流予将同该区的多数载流子 符合，不断的将多余的能量以光的形式辐射出去。这就是p n 结注入式发光的原理。 供发光二极管用的晶体必须具备下列条件： 带隙宽度合适。p n 结注入的少数载流子与多数载流子复合发光式释放的光子 能量小于带隙快读。因此，晶体的带隙宽度必须大于所需发光波长的光子能量。 由于可见光的波长极限约为7 0 0 r i m ，则对可见光二极管而言，带隙宽度e g 必须 定义1 7 8 e v ；要得到短波场的蓝色发光二极管，带隙宽度必须大于3 e v 。 可获得电导率高的n 型和p 型晶体。为之制备优良的p - n 结，要有n 型和p 型两种晶体，而且则两种晶体的电导率应该很高； 可获得完整性好的优质晶体。此处的不完整性是指缩短少数载流子寿命并降低 发光效率的杂质和晶格缺陷。 发光复合几率大。 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 2 1 2l e d 特性 ( 1 ) 光谱特性 材料的禁带宽度e g 决定了p n 结辐射光的波长，其公式可表示如下 五= 1 2 4 g n $ e v e 由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同 波长的光，不同的材料的l e d 发光光谱如图所示。发光二极管所发出的光不是纯单 色光，但是，除了激光外，它的谱线宽度都比其它光源所发出的谱线窄。例如砷化 镓发光二级管的谱线宽度只有2 5 n m 。因此，可以认为是单色光。 ( 2 ) 电流电压特性及电流发光强度特性 单个发光管通常厚度 约为o 2 0 3 m m 的芯片上 形成面积约为0 4 x0 4 的 p n 结，并在p 面和n 面 上分别做出电极，再用环 氧树脂封装，封装后的发 光二极管许多特性与基本 p n 结相同。发光二极管的 伏安特性与p n 结的伏安 特性相同，如图2 1 所示， 包括正向工作区、正向死 区、反相死区、击穿区。 区 图2 1l e d 伏安特性 压 当外加正向电压小于开启电压时，克服不料势垒电场，p n 结呈现较大的电阻， 正向电流很小。发光二级管的开启电压随所用材料的不同而不同。当外加电压超过 开启电压时，克服了势垒电场，使正向电流迅速睁大，注入的空穴和电子大量复合 而发光，此时的电流与电压的关系可用下式表述： h 0 ( e x p 篆- 1 ) 式中，圪为施加在p n 结上的正向电压：口为系数，度与扩散电流其值为i ，对 于空间电荷层内的复合电流其值为2 ；k 为玻尔兹曼常数，其值为1 3 8 1 0 2 3 焦开 丁为绝对温度；厶为反向饱和电流，与载流子的浓度、扩散情况、稳定等因素有关 当p n 结制成后，它是个与温度有关的系数，其单位为安培。 二极管的发光亮度与正向电流密切相关，如图 2 2 所示。一般的发光二极管如g o a s 。只、 g a 。a l i a s 、6 a p ( 绿色) 发光管的发光亮度的增强 与电流的增大近似成正比，不易饱和；而掺z n o 的g a p 红色发光管的发光亮度，则随着电流增加极 易达到饱和。g a p 红色发光管是依靠z n - o 的对而 1l o 1 0 0 = 极管电流( m a ) 发光的，但z n 、o 掺杂的浓度无法提高，从而使 图2 2l e d 光遣量与电流关系 得发光复合的几率低，少数载流子达到一定值后，发光中心便发生饱和：而g a p 黄 色和绿色发光二极管，则是以n 等电子取代p ，掺杂浓度可以提高，因此，达到高 浓度也不会包和。 ( 3 ) 时间响应与温度特性 l e d 的时间响应特性指l e d 随电信号变化启亮和熄灭的延迟特性，有响应时 间来描述，响应时间包括上升时间和下降时间，上升时间是从接通电源使l e d 的发 光亮度达到正常1 0 开始到l e d 的发光亮度达到正常的9 0 所经历的时间；下降 时间是l e d 断电后，发光亮度由正常值的9 0 下降到正常值的1 0 所经历的时间， 下降时间取决与载流子的寿命，与流过管子的电流大小无关。上图中t o 为滞后时间， 其值很小，可以忽略。不同种类的l e d 的响应时间是不同的，即使是同类l e d ，其 响应时间也有差别，下表为几种发光二级管的响应时间。 表2 1 几种发光二极管响应时阔 材料发光颜色 上升时间t r ( n s )下降时间t f ( n s ) o a a s红外4 4 g a a s ：s i红外 2 5 01 5 0 g a p红1 0 01 0 0 9 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 g a p 绿1 06 0 g a a s p红和橙1 01 0 g a a l a s 红55 温度对p n 结的复合发光是有影响的，在偏置电压不变的情况下，结温升高到 一定程度后，电流将变小，发光亮度减弱，电流与温度的关系大致如图2 3 所示， 图2 - 6 为发光二极管发光强度与温度的关系曲线。 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 2 55 07 5 图2 - 3 发光强度与温度关系曲线 在一定的工作电流下，随着环境温度的升高，发光复合的几率下降，亮度也随 之减弱；同样，在环境温度不变时，电流增大足以引起结温上升，发光二极管的亮 度将不在继续随着电流的增大而成比例的增强，亦即呈饱和状态。 2 2 光、视觉与色度学理论基础理论“1 2 2 1 可见光谱 光是一定波长范围内的一种电磁辐射。电磁辐射的波长范围很广，最短的如宇 宙射线，其波长只有千兆分之几米( 1 0 e 一1 4 1 0 e - - 1 5 m ) ，最长的如交流电，其 波长可达数干公里。在电磁辐射范围内，只有波长为3 8 0 n m 到7 8 0 r i m 的电磁辐射 能够引起人的视觉，这段波长叫做可见光谱，如图2 - 4 所示 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 波长( m ) 图2 - 4 电磁光谱 电磁辐射范围内，还有紫外线、x 射线、y 射线以及红外线、无线电波等。可 见光、紫外线、红外线是原子与分子发光的辐射，成为光学辐射。x 射线、y 射线 等是激发原子内部的电子所产生的辐射，称为核子辐射。电振动产生的电磁辐射称 为无线电波。 总光通量和总辐射通量的关系为 世：旦：螋 p 1 只烈 k 称为辐射体的光视效能，称为发光效率，其单位为1 州w ，表示辐射体消耗 1 w 功率所发出的光通量。 发光强度用来描述光源在某一方向上的发光特性，它定义为某一方向上单位 立体角内所辐射的光通量大小， ，谢 卜面 2 4 6 b m ” h 渺 埘 埘 僻 ， 圭三 圭三 旷 旷 旷 圭三 旷 、 、 一 ， 。、 、 一 、红外辐射 、 可见辐射 聚外辐射一 啦 一她远中近一、红 橙黄绿蓝紫近远髓一 铷4_lt_r11_1111_|11_lj-1 测搿搿瑚l|謇譬鬈謇量哿 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 发光强度的单位是坎德拉( c d ) 。 2 2 2 颜色的匹配 把两个颜色调节到视觉上相同的方法叫做颜色匹配。颜色可以相互混合，颜色 混合可以是颜色光的混合，也可以是染料的混合，这两种所得到的结果是不同的， 前者称为颜色相加混合，后者为颜色相减混合。将几种颜色光同时或快速先后刺激 人的视觉器官，变产生不同于原来颜色的新的颜色的感觉，这就是颜色相加混合方 法。 2 2 3 颜色相加原理n 2 1 1 8 5 4 年，格拉斯曼将颜色混合现象总结成混合定律。人的视觉只能分辨颜色的 三种变化：明度、色调、饱和度。在两个成份组成的混合色中，如果一个成份连续 的变化，混合色的外貌也连续的变化。有这一定律导出两个定律： 补色率每一种颜色都有一个响应的补色。如果某一颜色与其补色以适当的 比例混合，变产生白色或灰色；如果二者按其它比例混合，便产生近似比重大的颜 色成份的非饱和色。 中间色率何两个非补色相混合，便产生中间色，其色调决定于两颜色的相 对数量，其饱和度决定于二者在色调顺序上的远近。 颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的 效果。换言之，凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。有这一定律导出颜色的替代 律： 相似色混合后仍然相似。如果 颜色a = 颜色b ；颜色c - - = 颜色d ， 那么， 颜色a + 颜色c - - - - - - 颜色b + 颜色d ， 颜色a 一颜色c = - - 颜色b 一颜色d 其中；代表匹配，即视觉上都是等效的。 一个单位量的颜色与另一个单位的量的颜色相同，那么这两种颜色数量同时扩 大或缩小相同倍数则两颜色仍为相同，如果 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 颜色a 一颜色b ； 那么n a 5 n b 替代律表明，只要在感觉上颜色是相似的，便可以互相替代，所得的视觉效果 是相同的。设a + b i c ，如果没有b ，而( x + y ) 一b ，那么a + ( x + y ) ；c 。 这个由代替而产生的混合色与原来的混合色在视觉上是具有相同的效果，可以利用 颜色混合方法来产生或代替各种所需要的颜色。 混合色总亮度等于组哼混合色的各颜色光亮度的总和。这一定律叫做亮度相加 律； 亮度相加律由几个颜色光组成的混合色的亮度是各颜色光亮度的总和。 格拉斯曼颜色混合定律是色度学的一般规律，适用说各种颜色光的相加混合，单这 些规律不适用说染料或涂料的减光混合。 2 , 2 4 颜色方程 颜色方程就是表示颜色匹配的方程式。若以( c ) 代表被匹配的颜色的单位，( r ) ( g ) ( b ) 分别代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位，r 、g 、b 、c 分别代表 红绿蓝和被匹配颜色的数量，当达到颜色匹配是，结果可以表示为 c ( c ) 一r ( r ) + g ( g ) + b ( b ) 方程中，r 、g 、b 代表数量，可以为负值。在颜色光匹配实验中发现，如果在 屏幕上被匹配的一侧是光谱上非常饱和的颜色( 光谱色) ，而在屏幕的另一侧仍用红 绿蓝三原色的混合光去试行匹配，大部分光谱色的饱和度太高，不能用这三原色产生 满意的配对，则在实际的颜色方案中，加到光谱色的一侧的颜色光的系数即为负值。 在色度学中，将为匹配相等能量( 简称等能) 光谱色的三原色数量称为光谱三 刺激值，用f ，季，百表示。则匹配波长为x 的等能光谱色( 巴) 的颜色方程为 ( c z ) s f ( r ) + 季( g ) + b ( b ) 在色度学中，并不直接用三原色数量来表示颜色，而用三原色各自在f + 亭+ 6 总量中的相对比例来表示颜色。三原色各自在i + 蚕+ i 总量中的相对比例叫做色度 坐标。某一特定色颜色的色度坐标r ，g ，b 为 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 r = 一 f + 蚕+ b 口= 量 6 f + 蚕+ 万 d d = 一 ，+ p + b 由于什矿6 = 1 ，所以只用r ，g 即可表示一种颜色。颜色方程可改写为 ( c ) 兰r ( 月) + g ( g ) + 6 ( b ) 三刺激值单位( r ) 、( g ) 、( b ) 不是用物理量为单位，而是选用色度学单位， 亦即三t 单位。它的确定方法是：选一特定白光( w ) 作为标准，在颜色匹配实验中 选用的三原色( 红、绿、蓝) 相加混合与此白光( w ) 相匹配，如测得所需三原色的 光通量值分别为( r ) 为k 流明，( g ) 为。流明，( b ) 为岛流明。则将比值k ：k ： k 定为三刺激值的相对亮度单位，即色度学单位。因此，为了匹配标准自光，三原 色的数量r 、g 、b ( 三刺激值) 相等，即f ：虿j b - = 1 ：1 ：1 。 对于不同波长的光谱色，其三刺激值是波长的函数，用f ( 见) 、季( a ) 、i ( 五) 来表 示，光谱三刺激值又称为颜色匹配函数，它的数值取决于人眼的视觉特性。 在上述可能具有负值方程的颜色匹配条件下，所以颜色，包括白黑系列的各种 灰色、各种色调和饱和度的颜色，都能由红绿蓝三原色的相加混合产生( 匹配) 。综 上所述，任何一个颜色，包括可见光的全部颜色，都能用三原色相加混合出来，条件 是三原色中如何一个不能有其余两个相加产生。 1 4 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 第三章半导体照明微控系统的总体设计 3 1 半导体景观照明控制系统的特点 3 1 1 系统规模庞大 ( 1 ) 半导体照明系统是由若干个不同类型景观模块组成。景观模块如草坪灯、护栏 灯、水底等、轮廓灯，造型灯。 ( 2 ) 较大模块类型可能含有大量的发光点。在一个护栏灯中每1 0 0 米要达到4 0 0 个发光点，一个中型的造型灯达到6 0 0 个发光点。装饰个小型公园的景观群经常要 到上万个发光点。如何建立一个有机的系统模型，控制这些规格不一，分布不均的全 彩装饰灯，是该系统设计的关键所在。 ( 3 ) 模块之间的距离比较大。由于景观装饰的对象是公园、街道、广场、大型建筑 等公共场所，覆盖的面积没有限制。例如草坪等的分布，经常要布满整个大面积装饰 草坪，灯具之间距离分散最多有几百米。 ( 4 ) 景观效果数据量大。大型的景观照明工程中，包含有许多不同功能的灯具群， 为了达到色彩变化的效果，系统包含大规模的发光控制点，同时这些控制点对应着大 量的控制序列。 3 1 2 景观效果可编辑和仿真 针对不同类型的景观，编辑系统能够对够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，能够四维( 包括时间参数) 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，并对组件再时间和 空间上进行排列组合产生需要的变幻效果。 ( 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 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 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。 3 1 3 景观照明效果结构化 ( 1 ) 灯具在一个时间段重复地显示已经预设置好的变化效果，这个周期越长装饰效 果越丰富。本系统要求能够做到2 小时不重复变化。 ( 2 ) 装饰照明效果有三个基本类型构成：渐变、跳变、静止。每种类型都有它的颜 色灰度的不同组合而产生更多的效果模式，理论上可以达到2 5 6 种不同的最基本效果 元素。一个效果元素的时间长为2 0 秒，好比乐曲中的音符。 ( 3 ) 对效果元素进行排列整合，从而产生最后的场景效果。场景效果往往能够表现 出某种特定主题。场景一般可以为几个效果元素，也可以为几分钟的元素组成。相当 于音乐中的和旋。根据景观美化要求，场景效果模式应该丰富多彩，旋律优美，节奏 欢快，有时还要有撼动人心的强烈刺激视觉。 ( 4 ) 有了“音符”、“和旋”就可以谱写乐曲了，一个有场景效果组成的场景序列称 之为情景设计。情景设计理论上完全可以达到2 个小时长度，使得景观灯装饰的效果 能够变幻无穷，百看不厌。 3 2 半导体装饰照明控制的两种模式 半导体装饰照明微控制系统目前还没有国家标准，也没有公认的实施方案，从目 前国内技术发展来看主要可以归纳为两种模式：集中管理集中控制模式和分散管理独 立控制模式。 3 2 1 集中管理集中控制模式 简述 将所有的发光点都集中在一个控制端，控制端由一台p c 机控制。p c 机给每个 发光点映射3 个地址，分别代表红绿蓝三种基色。通过对地址的操作来调节发光点的 颜色、灰度，达到整个景观灯互相协调的各种效果变化。 设计思路 用p c i 扩展卡将p c 地址扩展到控制箱，控制箱内经过地址译码和驱动。直接驱 大型半导体景现照明全彩控制系统的研究与实现 动l e d 发光。扩展驱动线按顺序被分配到相应的灯具的l e d 驱动上。每个灯具都有 一段唯一的接口地址分别映射到灯具的发光点上，其模式示意图如下图3 1 所示： 景观1景观2景观n 图3 1 集中管理和控制模式图 例如，具有1 6 个发光点的草坪灯模块其分配到的地址是0 x 6 0 0 0 0 x 6 0 0 2 。其中 0 x 6 0 0 0 表示红基色地址域，o x 6 0 0 0 1 表示绿基色地址域，0 x 6 0 0 2 表示蓝基色地址域。 设计一个入口函数使得所有草坪灯模块中的1 6 个发光点同时显示出一种颜色( 0 - 7 ) 。 程序范例如下： # d e f m ea d d r e d0 x 6 0 0 0 # d e f i n ea d d g r e e n0 x 6 0 0 1 # d e f i n ea d d b l u e0 x 6 0 0 2 s e t g l a s s l a m p c o l o r ( u n s i g n e dc o l o r ) h a tn c o l o r ； n c o l o r = c o l o r 2 ： i f ( n c o l o f o ) o u t p ( a d d r e d ，0 ) ； e l s e o u t p ( a d d r e d ，o x f m ) ； n c o l r o = ( c o l o r 1 ) 2 i f ( n c o l o r o ) 1 7 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 o u t p ( a d d g r e e n ，0 ) e l s e o u t p ( a d d g r e e n ，0 x f e r 0 n c o l r 0 2 ( c o l o r 2 ) 2 ； i f ( n c o l o r = = o ) o u t p ( a d d b l u e ，o ) e l s e o u t p ( a d d b l u e ，o x 内 f ) ) 通过对以上的例程调用可以实现简单的7 彩变换的程序。如果利用动态的扫描方 式，并用一个灰度值来表示发光点的亮度。这样就能够产生更丰富的色彩，当灰度值 达到2 5 6 时，可以达到1 6 ，7 7 7 ，2 1 6 种颜色。 优势及缺点 此方案的思路利用了所有景观灯中的发光点都具有相同物理属性的特点，每个发 光点都有3 个驱动接口，分别为红、绿、蓝，而不用考虑发光点的逻辑结构、功能、 和所处模块的类型、特征。 此方案的优点： ( 1 ) 结构简单、硬件开发周期短。模型中总共有两个物理层，最底层发光点之间在 电气上互相独立，易于调试。 ( 2 ) 文件系统构架简单。由于面向的对象只有独立的发光点，构架文件系统的时候 只需考虑发光点的个性( 颜色、亮度、变化模式) 。使得文件系统机构简单。 ( 3 ) 管理集中。所有的发光点直接被系统控制台控制。控制台可以简单的协调各个 模块之间的变化，使得它们能够接体的同步变化，产生一个整体的景观效果。 缺点： ( 1 ) 没有考虑到不同景观模块的特点及差异性，不能反映模块之间和层次之间的关 系。草坪灯根据面积的大小一般为1 0 2 0 个左右的发光点，而且分布分散，然而造 型景观灯可能达到5 0 0 个发光点，点的排列集中非常紧密。护栏灯则以线形排列，发 光点的距离可能会达到2 0 0 3 0 0 米。这些差异性决定了它们不适合采用统一的物理 电气连接。 大型半导体景观照明全彩控制系统的研究与实现 ( 2 ) 只适用于规模不大的工程。每个发光点都需要3 条独立控制线，造成电缆的数 量过多，施工难度和成本都会明显增大。 ( 3 ) 集中管理造成控制器的任务负担过重。要做到全彩变化时，常采用扫描占空比 的方式输出，也就是说要解决这个问题只能采用尽可能快的控制器，当处理的发光点 多的时候势必增加系统成本。 3 2 2 分散管理独立控制模式