（电力系统及其自动化专业论文）基于nios+Ⅱ的led景观灯控制系统的研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t l a n d s c a p el i g h t i n gi sa ni m p o r t a n tm e a n so fb e a u t i f y i n go u rl i v i n ge n v i r o n m e n ta n d s h o w i n gc i t i e s c h a r a c t e r i s t i c s t h e r e a r em a n yd e f e c t si nt r a d i t i o n a l l i g h t i n gd e v i c e s ， i n c l u d i n gn e o n ，f l u o r e s c e n tl a m pa n di n c a n d e s c e n tl a m p ，s u c ha sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ， s h o r ts e r v i c el i f e ，s i n 酉ef l a s hm o d ea n dd i f f i c u l t yi nu n i f i e dc o o r d i n a t i n ga n dm a n a g i n g a sa n e wt y p eo fl i g h ts o u r c et h a tc a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m et h ea b o v es h o r t c o m i n g s ，l e di s g r a d u a l l yr e p l a c i n gt r a d i t i o n a ll i g h ts o u r c e si nt h ef i e l do fl a n d s c a p el i g h t i n ga n do t h e r l i g h t i n g s s of a r , t h e r ei sn ou n i f o r ms t a n d a r df o rt h ec o n t r o lm e t h o do fl e dl a n d s c a p el i g h t s m o s tl e dc o n t r o l l e r sa d o p t i n g8 - b i tm i c r o c o n t r o l l e ra sc o r e ，c a na c h i e v eas i m p l el a n d s c a p e p a t t e r nd i s p l a y w i t ht h es c a l eo ft h el e dl i g h t i n ge x p a n d i n g ，l a n d s c a p ec o m p l e x i t y i n c r e a s i n ga n dt h ed e m a n df o rr e m o t ec o n t r o lp r o p o s i n g , c o n t r o ls y s t e mc o r e db ym c u c a n n o ta d a p tt ot h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fl i g h t i n gc o n t r o lr e q u i r e m e n t s i n t h i sp a p e r , a d o p t i n gn i o si is o f t - c o r ep r o c e s s o ra st h ec e n t r a lc o n t r o lu n i t ，as e to f l e d l a n d s c a p ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt c p i pp r o t o c o la n dd m x 512p r o t o c o li sp r o p o s e d l e d l a n d s c a p el i g h tc o n t r o l l e ri st h ec o r eo f t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m a f t e ra d d i n gt h el e d l i g h tc o n t r o li pc o r e ，i tc a nm a k e t h el e dl i n k st os h o ws t a t i c ，g r a d i e n ta n df l a s h i n gt h r e e t y p e so fp a t t e r n si nf u l lc o l o ro fd y n a m i cc h a n g e s u s i n gs o p cd e s i g n ，o u rs y s t e mc a nm e e t t h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n ts u c ha sh i ! g hs p e e d ，l a r g es c a l e ，f u l lc o l o ra n dr e m o t ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , as e to fl a r g e - s c a l e ，f u l l c o l o rl e dl a n d s c a p el i g h tc o n t r o ls y s t e m b a s e do ne t h e m e ta n dd m x 512p r o t o c o li sp r o p o s e d s o p ct e c h n o l o g ya n dt h ed e s i g n p r i n c i p l e sa n dr e l a t e dc o n c e p t so fl e dc o n t r o l l e r s a n dl e dl a n d s c a p ea r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h eh a r d w a r ed e s i g np r o c e s so fl e dl a n d s c a p ec o n t r o l l e ri sd e s c r i b e di nd e t a i l f r o mt h ea s p e c t so fp r o g r a md e s i g n , c h i ps e l e c t i o n ，s c h e m a t i cd r a w i n g t h eh a r d w a r e p l a t f o r mf o rn i o si ie m b e d d e dp r o c e s s o ri sb u i l t a f t e rt h a t ，t h el e dl i g h t i n gc o n t r o li pc o r e b a s e do nd m x 512p r o t o c o li s d e v e l o p e du s i n gt o p d o w na p p r o a c ha n da d d e dt o t h e a v a l o nb u s u s i n gs o p cb u i l d e re d a t o o l s ，e m b e d d e dp r o c e s s o rs y s t e mi sc u s t o m i z e d ， c o m b i n i n gl c d ，p i e ，s dc a r d ，e t h e r n e tc o n t r o l l e r ，l e dl i g h t i n gc o n t r o li pc o r ea n do t h e r p e r i p h e r a l sa saw h o l e n e x t ，t h ed e s i g np r o c e s so ff u l l c o l o rl e dl a n d s c a p el i g h t sb a s e do n 英文摘要 d m x 512i s i n t r o d u c e d f i n a l l y , l e dl a n d s c a p ec o n t r o li n t e r f a c ei sb u i l t ，a n dt h ej o i n t e x p e r i m e n t a lr e s u l ti ss h o w n k e yw o r d ：n i o si i ；l e dc o n t r o li pc o r e ；f u l l - c o l o rl e d l a n d s c a p el i g h t s ；d m x 5 1 2 p r o t o c o l ； 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成 博硕士学位论文二匀缮衄鲤囊出致丞诬斟舀袒驾聋髫匕兆丕犯。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成 果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：二蜱 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文 的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究 所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后 遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密回( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：高窝昂 导师签名： 日期：砒年6 月啄日 基丁n i o si i 的l e d 景观灯控制系统的研究 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着城市建设的高速发展与人民物质生活水平的不断提高，人们对于城市的环境要 求越来越高。其中，城市的夜景亮化与景观照明已成为展示城市风采、增添城市魅力的 重要手段。 传统的城市夜景景观照明主要采用霓虹灯、白炽灯以及荧光灯作为光源，它们存在 着光效低、功耗大、寿命短，色彩变化单一，控制方法复杂等一系列缺点，已经难以满 足人们的要求。 l e d 是英文l i g h te m i t t i n gd i o d e 的缩写，它作为一种新型光源，自开发之初就备 受瞩目。由于发光过程中不产生热量，与传统光源相比，l e d 的发光效率较高，功耗更 低，经济效益更高。经过科研人员的不断努力，它的发光效率从最初的5 1 m w 提高到今 天的8 0 1 0 0 1 m w 。l e d 在景观照明、室内装饰、汽车车灯、液晶背光源等市场中正在 逐步取代传统光源，成为继白炽灯和同光灯之后的第三代电光源。l e d 产业也成为世界 各地光源和灯具研究机构竞相开发，努力探索的朝阳产业，成为未来照明领域的明星产 业【1 2 1 。 面对半导体照明产业的历史机遇，2 0 0 3 年6 月1 7 日科技部联合教育部、建设部、 信息产业部、中国科学院、轻工业联合会等部委以及北京、上海等十一个地方政府成立 了国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动了“国家半导体照明工程”计划，2 0 0 5 年 又紧急启动了“国家半导体照明工程产业化技术开发”重大项目，目的是打造一批特色半 导体照明产业基地，形成我国自主研发的半导体照明产业f 3 1 。 大连达明科技有限公司位于大连市高新园区，致力于l e d 光电显示、l e d 景观照 明等领域的软硬件产品的研发、生产与销售工作。正是在与该公司合作的基础上，提出 了本课题的研究内容，目标在于研究、设计、开发一套大规模、高功率、全色彩l e d 景观灯控制系统。 第1 章绪论 1 2 课题研究意义 开发l e d 景观照明控制系统，以l e d 灯取代传统景观照明设备的意义体现在以下 几个方面： 第一，缓解能源危机，减小环境污染。 我国是仅次于美国的第二发电大国。2 0 0 9 年全国发电量为3 4 3 3 4 亿千瓦时，其中火 力发电占到总发电量的8 2 6 ，发电过程中消耗了大量的原煤和石油。对于一个人均 资源匮乏的国家，这无疑是一个巨大的压力，也是亟待解决的重大课题。据统计，照明 用电约占总发电量的1 2 ，相当于三峡水电站总发电量的2 4 倍，且以每年5 以上的 速度增长【4 】。以l e d 取代传统灯具，能够在美化我们的r 常生活，不降低生活质量的同 时，减小由于电能消耗给资源环境带来的巨大压力。 同时，我国二氧化碳排放量已位居世界第二，甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量 也居世界前列。作为京都议定书的缔约方，我国业已开始承担该议定书规定的全球 控排温室气体的所有缔约方都应承担的普遍性义务。科学发展观明确提出，转变经济增 长方式，大力推进经济增长方式向集约型转变，走新型工业化道路【5 1 。在这个时代背景 下，全社会都在追求一种节能、环保、低碳的生产、生活方式。l e d 灯具不仅能够节约 能源，减小温室气体排放，而且不含铅、汞等有毒成分，不产生玻璃、废料等废弃物， 是一种绿色环保、节能低碳、无污染的光源【6 1 。 第二，美化生活环境，丰富城市景观。 与传统的霓虹灯相比，l e d 景观灯的颜色范围更广阔，采用p w m 驱动和l e d 混 色技术可以实现全色彩范围内的变化。此外，l e d 景观灯的变换样式更为丰富。采用先 进控制器与控制技术可以实现灯光样式的快速刷新，从而实现静态、渐变、跳跃等多种 闪亮方式。 l e d 的“变、亮、跳、省、长”将景观照明这一产业推向了蓬勃发展的状态。如图 1 1 所示是2 0 0 8 年北京奥运会的水立方，它采用1 4 7 万颗大功率l e d 作为光源，拥有 5 3 2 7 7 平方米的l e d 照明面积，拥有5 7 0 0 0 个节点的庞大的控制网络( 支持i p v 6 ) 7 1 。 水立方艺术灯光成为了全球标志性的l e d 景观灯光项目。 2 基丁n 1 0 si i 的l e d 景观削控制系统的研究 目l1 水立方l e d 灯光点亮北京奥远会 f i g u r e l1l e dl i g h t si nw a t e rc u b el i g h t i n gu pt h eb e i j i n g0 1y m p i c s 第三，把握时代机遇，形成行业标准。 半导体照明产业属于朝阳产业，在高亮度l e d 研发、l e d 驱动电路设计、l e d 景 观灯控制协议等方面都处于研究阶段，有许多技术难关有待攻破，有形成自主知识产权 的机会。随着材料、技术的成熟和市场价格的稳定，l e d 景观灯控制协议的标准化和规 范化必将成为l e d 照明领域发展的一个趋势口】。诈是在这样的背景下，本文提出一套基 于t c p i p 协议和d m x 5 1 2 协议的l e d 景观灯厢络控制系统。 只有把握住l e d 产业的发展方向，研发高效的控制系统，形成自己的产业标准， 爿能实现相应的经济效益。 第1 章绪论 1 3 论文主要内容与篇章结构 1 3 1 论文主要内容 本文主要针对城市夜景亮化、室内装饰照明以及l e d 显示等工程，提出一套行而 有效的控制系统。该控制系统采用a l t e r a 公司的n i o si i 嵌入式处理器作为核心控制 器，将建筑物内的各种l e d 器具有机的结合在一起，实行有效的管理和控制，具有高 速度、大容量、全色彩等特点。论文的主要内容包括： ( 1 ) 根据控制目标，选取合适的控制方式和通信方式，进行l e d 景观控制系统的 总体框架设计。系统的总体结构自上而下包括上位机、控制器、l e d 灯三个主要部分。 ( 2 ) l e d 景观灯控制器的设计与实现。结合成本与功能，选取芯片，包括电源芯 片、存储芯片、中央控制芯片、网络通信芯片、电平转换芯片等。应用p r o t e l 软件设 计控制器电路，绘制原理图、p c b 图，搭建硬件。在a l t e r a 公司的q u a r t u si i 软件环 境下，应用硬件描述语言编程，定制i p 核与s o p c 系统，并进行仿真。在a l t e r a 公 司的n i o si ii d e 软件环境下，编写控制器的c 语言程序。 ( 3 ) l e d 景观灯的设计与实现。l e d 景观灯主要由解码器与l e d 驱动电路两部 分构成。采用a l t e r a 公司的低成本可编程逻辑器件c p l d 作为解码器与l e d 景观控 制器进行通信。为大功率、照明用的l e d 设计驱动电路，采用p w m 脉冲驱动的驱动 方式，以实现2 5 6 级的灰度等级。 ( 4 ) 系统设计成功后，进行联合调试，验证控制系统方案的可行性。 1 3 2 论文篇章结构 论文共分为六章： 第一章绪论介绍课题的开题背景、研究意义以及论文的主要内容和篇章结构。 第二章首先介绍全彩l e d 景观灯控制系统的总体设计方案，明确控制系统的组成 要素，为控制系统选择合适的通信协议。接下来简要介绍l e d 景观灯控制器的原理及 其涉及到的基本概念，全彩l e d 景观灯的原理及其涉及到的基本概念。 第三章进行l e d 景观灯控制器的硬件设计，包括芯片的选型与原理图的绘制，为 n i o si i 嵌入式处理器的运行搭建一个硬件平台。 4 基丁n 1 0 si i 的l e d 景观灯控制系统的研究 第四章进行l e d 景观灯控制器的软件设计，编写i p 核驱动基于d m x 51 2 协议的外 设，定制s o p c 系统，在n i o si ii d e 软件环境下编写控制器的c 语言程序。 第五章介绍全彩l e d 景观灯的设计实现方法。主要包括解码器和l e d 驱动电路的 设计与实现。 第六章进行软硬件联合调试，验证控制系统的功能，包括独立、在线两种控制方式。 并且简要介绍了p c 机上的l e d 控制台的原理和功能。 结论对全文所做工作进行简明扼要的概括，对控制系统的应用与未来技术的发展提 出自己的看法。 5 基于n 1 0 si i 的l e d 景观灯控制系统的研究 第2 章控制系统总体设计方案 2 1 全彩l e d 景观灯控制系统总体设计方案 l e d 景观照明的控制技术是提升l e d 灯具应用水平的关键所在，目前，l e d 灯具 的控制主要有以下几种方法： 2 1 1 独立控制方法 在每个l e d 灯具中使用一个低端单片机或者专用控制芯片，产生一系列颜色变换， 如七彩，渐变等等。有的控制芯片上还带有音频同步口，能使l e d 与附近的音乐同步 闪烁，灯与灯之间没有控制线，靠上电或者a c 过零点同步吲。这种产品的特点是比较 简单，灯头，灯座等与传统灯具兼容，能大批量生产。它们的缺点是无法实现追逐，逐 段变化等复杂的灯光变换方式，更不能根据应用的需要设计出整体的灯光方案。因此这 种方案只适用于局部简单的场合。 2 1 2 联线控制方法 l e d 灯具与控制器相连，在每一个灯具中含有一个低价格单片机负责接收信号。控 制器与灯具之间通过一定的协议，如i i c 、s p i 协议传递l e d 控制信号【1 0 】。 这种控制器通常以8 位单片机为核心，采用小容量( 通常小于4 m 字节) 的n o r f l a s h 存储l e d 图案文件，通过串口与计算机相连。图2 1 所示的是这种l e d 灯光联 线控制系统的结构组成。由于输出变化信号速度低，l e d 灯光链路的数量，色阶狄度， 单位时间变化的帧数都比较小，满足不了大规模、全色彩的要求。 7 第2 章控制系统总体设计方案 图2 1l e d 联线控制系统 f i g u r e 2 1o n l i n el e dc o n t r o ls y s t e m 控制器 ： l e d 像素点 2 1 3 网络控制方法 上文介绍的两种控制方法控制方式简便，但是当应用到大规模的l e d 景观灯群， 例如楼宇、桥梁等的亮化、装饰之上时，它们的缺点就显现出来。在已有研究成果的基 础上，本文提出了一套基于t c p i p 协议和d m x 5 1 2 协议的控制系统，该系统由基于 t c p i p 协议的主干网络和基于d m x 5 1 2 协议的子网组成。图2 2 所展示的是l e d 网络 控制系统的结构框图： 基丁n i ( 】s1 1 的if o 景观灯控制系统的研究 目22l e d 网络控制系统框目 f ig u r e 22 叭a g r a mo f l e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do i ln e t w o r k l e d 网络控制系统山上位机网络节点控制器，l e d 景观灯具三部分组成。 基于p c 机平台的l e d 景观灯网络控制系统软件负责系统各项功能的控制，包括时 间控制、艺术效果控制等。 网络节点控制器选用c y c l o n e1 1 1 系列的f p g a ，采用s o p c 嵌入式技术设计。它与 上位机之阳j 基于t c p i p 协议进行通信。接收由上位机传送来的数据之后，做缓存并将 其转化为满足d m x 5 1 2 协议的信号发送给下游的l e d 灯具。 l e d 景观灯具的主要结构包括d m x 5 1 2 解码器和l e d 驱动电路。d m x s l 2 解码器 的功能是将d m x 5 1 2 信号转化为红绿蓝三路p w m 信号驱动l e d 像素点，使得l e d 灯 具所显示的颜色能够在全色彩范围内变化。 时络节点控制措可设置i p 地址，上位机可访问各个控制节点，支持同步、脱机两 种控制方式。删络节点控制器输山基于d m x 5 1 2 协议的信号控制l e d 链路，每个链路 第2 章控制系统总体设计方案 最多可以搭载1 7 0 个全彩l e d 灯。本照明系统可控制拥有2 5 6 级灰度的l e d 景观灯， 显示由上位机软件处理过的灯光样式图案。 2 2 网络节点控制器的原理和基本概念 网络节点控制器是l e d 控制系统中重要的一环，它接受上位机发出的基于t c p i p 协议的数据包，根据接收到的数据发出基于d m x 5 1 2 协议的信号控制l e d 链路。控制 器的设计应用了当前先进的s o p c 技术，基于美国a l t e r a 公司的n i o si i 嵌入式处理 器。下面对控制器设计过程中涉及到的一些基本概念做简要阐述。 2 2 1s o p c 技术 自从集成电路发明以后，集成电路芯片的发展基本上遵循了i n t e l 公司创始人之一 的g o r d o nm o o r e1 9 6 5 年预言的摩尔定律，即每隔3 年集成度增加4 倍，特征尺寸缩小 1 4 倍1 。i c ( 集成电路) 芯片通过印刷电路板( p c b ) 技术实现系统。尽管随着电子 技术的发展，可以尽可能地提高i c 的速度，降低i c 的功耗，但是由于p c b 板中芯片 之间的导线延时，p c b 板可靠性等因素的限制，整机系统的性能也受到限制，逐渐难以 满足性能日益提高的整机系统的要求。 随着半导体技术的发展，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 技术逐渐成为电子系统设计的热 点。它在单个芯片上集成了整个电子系统，能够实现整个电子系统的功能。s o c 借助专 门的e d a 软件平台，通过编写硬件描述语言和i p 核来进行设计。美国a l t e r a 公司 在2 0 0 0 年提出了s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术，提供了用大规模可编程 器件f p g a 来实现s o c 的功能。s o p c 是s o c 发展的新阶段，代表了当今电子设计的 发展方向【1 2 1 。 在本设计中，为了加大控制器的容量，使每个链路能够搭载更多的l e d 灯，并且 使l e d 链路的刷新速度达到要求，就必须选用高性能的处理器作为核心控制单元。把 n i o si i 处理器嵌入到a l t e r a 公司的c y c l o n e 、c y c l o n ei i 、s t r a t i x 、s t r a t i xi i 和h a r d c o p y 系列f p g a 器件中，用户可以获得超过2 0 0d m i p s 的性能，两只需花费不到3 5 美分的 逻辑资源【1 3 】。同时在支持s o p c 设计的e d a 工具软件中都包含有相当丰富的i p 资源库， 1 0 基于n i o si i 的l e d 景观灯控制系统的研究 在e d a 工具软件的支持下，通过一些简单的操作，就可以将需要的i p 核加入到设计模 型中驱动相应的外设，形成系统。 2 2 2d m x 5 12 协议 d m x 5 1 2 协议最初是由美国剧场技术协会u s i t t 提出的，是调光和灯光控制台数 据传输标准协议，是娱乐灯光领域常用的控制协议。本协议中数据传输的物理介质通常 是一对作为数据链路的电缆线。数据链路采用e i a 4 8 5 ( r s 4 8 5 ) 平衡数据传输技术驱 动【1 4 】【15 1 。 d m x 5 1 2 协议中数据采用异步串行通信格式传送，信号每一部分的时序规定都极为 严格。协议规定数据传输速率是2 5 0 k b i t s ，一个数据包最多可包含5 1 2 个数据段。每 个数据段有1 1 位，包括1 位低电平起始位，8 位数据位和2 位高电平停止位。在第一个 字段传送之前，应发送复位序列：复位信号、复位后标记和起始码。 1 一l l 一一i 一一l r 一一；1一l 厂f 飞_ r c 0 0 0 叉x y 图2 3d m x 5 1 2 协议时序图 f i g u r e 2 3t h es e q u e n c ec h a r to fd m x 51 2p r o t o c o l 如图2 3 所示是d m x 5 1 2 协议数据格式的时序图。b r e a k 是在发送控制数据之前给 总线的一个持续的低电平信号。m a b 是紧接在b r e a k 信号之后的一段高电平时问。s t a r t c o d e 是在m a b 时间之后的第一帧数据，通常为零。m a r kb e t w e e nf r a m e 是指一帧的结 束到下一帧的开始的时间。b r e a kt ob r e a kt i m e 是一个数据包的开始到下一个数据包_ 丌 始的时间，即数据的刷新率。 表2 1 所示是文化部发布的有关d m x 5 1 2 灯光控制数据传输协议的行业标准【1 6 】。 第2 章控制系统总体设计方案 表2 1d m x 5 1 2 协议数据格式 t a b l e 2 1t h ed a t af o r m a to fd m x 5 1 2p r o t o c o l 信号描述 最小值典型值最人值单位 b i t r a t e比特率2 4 5 2 5 0 2 5 5 k b p s b i t t i m e 位时间 3 9 244 0 8u s b r e a k复位信号 9 21 7 6 u s m a b 复位后标记 1 2 u s 1 s b r e a kt ob r e a kt i m e复位信号问的间隔 1 0 2 4 u sl s m a r kb e t w e e nf r a m e 复位前标记 0 u s 1 s 控制器与景观灯之间的通信正是基于d m x 5 1 2 协议。每个数据段控制一只l e d ， 就可以实现2 5 6 级灰度，景观灯的一个像素点包含红、绿、蓝三只l e d 。由于每一帧包 含5 1 2 个数据段，控制器的一路输出最多可以控制1 7 0 个像素点。同时，该协议的物理 层的设计采用r s 4 8 5 收发器，信号是基于差分电压进行传输的，抗干扰的能力强，信 号可以进行长距离的传输。 2 2 3t c p ip 协议 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 ) 协议是因特网最基本的协 议，它实际上是由许多处于不同层次完成不同功能的单个协议组成，并以协议簇的形式 存在。其主要协议有：t c p 、u d p 、i p 、a r p 、i c m p 和i g m p 等等。由于t c p i p 屏蔽 了底层的物理网络细节，提供了最好的兼容性和交互操作性能，可以在绝大多数销售商 的系统中使用，因此绝大多数的计算机都使用t c p i p 协议来进行i n t e r a c t 通信，t c p i p 协议已经成为计算机工业中开放系统互联的事实上的标准，是i n t e r n e t 的基础【r 兀。 人们通常用层式结构来描述t c p i p 协议。不同的学术组织有不同的分层表示，最 常见的是i s o o s i 的i s o 模型，有七层。本论文中采用四层结构来描述。图2 4 所示的 就是一个常见的t c p i p 协议四层结构。从图中可以看出四层t c p i p 协议由顶层到底层 分别为：应用层、传输层、网络层和网络接口层。 1 2 基于n i o sii 的l e d 景观灯控制系统的研究 ，“ 一，钒7 ：，；廊圳样序； 导，“眄1 畸司眄习 j f ij9 鞘j 同同 j ii ：简鞘| j 竺i i g m p i 同i r 。a r p l a r pi f i ，女施黟啭谚糍豹自觐缴露 镏锄荔躲? 怒融，彤彩彩糍彩鳓臻_ 私2 锄聋7 i 网路接口层 髟墨 底层网络定义的协议 黟 l女* 2 ，i 2 # 料o p、q * 概 删。，o 慨0 ，q * 舯# o m 它* 0 、 图2 4t c p i p 协议结构图 f i g u r e 2 4t h eb l o c kd i a g r a mo ft c p i pp r o t o c o l t c p i p 技术支持各种局域网络协议，包括：令牌总线、令牌坏、f d d i ( 光纤分布 式数据接口) 、s l i p ( 串行线路i p ) 、p p p ( 点到点协议) 、x 2 5 数据网等。其中以太 网是t c p i p 使用最普遍的物理网络。由于t c p i p 是世界上最大的i n t e m e t 所采用的协 议组，而t c p i p 底层物理网络多数使用以太网协议，因此，以太网与t c p i p 协议结合 已成为1 1 r 行业中应用最普遍的技术。在本论文中所设计的系统中，上位机与控制器之 间的通讯正是基于以太网加t c p i p 模式【1 8 】【1 9 1 。 2 3l e d 景观灯具的原理和基本概念 目前l e d 灯具种类很多，按控制协议可以分为s p i 、i i c 、d m x 5 1 2 等诸多类型。 本论文中的控制对象是基于d m x 5 1 2 协议的全彩l e d 灯。所谓全彩是指l e d 灯应用颜 色相加原理和p w m 驱动技术，能够在全色彩范围内变化。每个像素点由红、绿、蓝三 种颜色的l e d 组成，每个l e d 可实现2 5 6 级灰度显示，那么一个像素点就能够实现在 2 5 6 x 2 5 6 x 2 5 6 种色彩范围内变化。 1 3 第2 章控制系统总体设计方案 2 3 1l e d 发光机理和特性 用于照明的电光源，根据发光的机理主要可分为热辐射光源、气体放电光源和场致 发光光源等几大类。场致发光又分为本征场致发光和注入式场致发光两种类型。l e d 的 发光为注入式场致发光，是一种固体在电场作用下直接发光的一种现象【2 0 l 。 发光二极管是由i i i i v 族化合物，如g a p ( 磷化镓) 、g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导 体制成的，它的核心部分是p 型半导体和n 型半导体组成的晶片。因此l e d 有p n 结 的电流电压特性正向导通，反向截止。当在p n 结上加证向电压时，少数载流子与 多数载流子复合时会把多余的能量转化为光能释放出来而发光。根据发光材料的不同， l e d 的颜色也有不同。自1 9 6 0 年首只发光二极管开发成功之后，科学家们先后研制成 功了红色、橙色、蓝色、绿色等多种颜色的l e d t 2 1 1 。 由于在发光过程中几乎不产生热量，l e d 的发光效率高，消耗能量少。表2 2 是 l e d 光源与其它传统光源性能对比，可以看出，与现有的其它光源相比，l e d 具有可 靠性高，使用寿命长，控制方法简单等等优势。 表2 2l e d 光源与传统光源性能对比【2 2 l t a b l e 2 2t h ec o n t r a s tb e t w e e nt h el e dl i g h ts o u r c ea n dt r a d i t i o n a ll i g h ts o u r c e s 名称耗电量( w )工作电压( v )协调控制 发热可靠性使h j 寿命( h ) 卤素灯1 0 02 2 0不易极高低 3 0 0 0 镁氖灯 1 6 w m2 2 0 较好 较高较好6 0 0 0 日光灯4 - - 1 0 02 2 0不易较高低 5 0 0 0 8 0 0 0 钨丝灯 1 5 忍o o2 2 0较好高低3 0 0 0 冷阴极1 5 w m虚逆变较好较低低 1 0 0 0 0 节能灯3 1 5 0 2 2 0 不宜调光 低低5 0 0 0 霓虹灯5 0 0较高较好高宜室内 3 0 0 0 l e d 翘极低 1 2 3 6 多种形式 极低极高l o 万 1 4 基于b 1 0 si i 的l e d 景观灯控制系统的研究 2 3 2p w m 驱动原理 虽然通过改变l e d 的偏置电压和工作电流可以控制l e d 的亮度，但是这种控制方 式会影响l e d 的触发动作和发光颜色，使得l e d 灯的应用场合受到限制。对于一般的 l e d 灯具来说，它的偏置电压和工作电流都固定在额定值。为了改变l e d 的亮度，使 之能在2 5 6 级灰度的范围内变化，本论文采用了p w m 驱动技术。 当人眼受到周期性光脉冲照射时，如果脉冲频率不够高，人会感受到一明一暗的闪 烁变化。但是当脉冲频率达到某一定值以上时，人眼便察觉不到这种闪烁变化，而是一 个均匀的、平均的亮度。这个临界的脉冲频率被称为临界闪烁频率。 对于临界闪烁频率以上的光脉冲，人眼主观感受到的亮度等于光脉冲亮度的平均 1o 值，这种规律被称为塔尔博特定律，可以用公式表示为s = 去【l ( t ) d t 。，式中s 代表人 ” 眼感受到的视觉亮度，t 为光脉冲周期，l ( t ) 为光脉冲亮度的时间函数【2 3 】【2 4 1 。 由于l e d 具有响应时间快的特性，我们可以通过输出周期相同，脉宽不同的数字 脉冲来控制l e d 的通断，进而控制l e d 的亮度。应用p w m 驱动技术控制，简单、有 效，打破了l e d 应用场合的限制。 1 5 第2 章控制系统总体设计方案 日 煦 圈2 5p w m 驱动原理 f i g u r e 2 5t h ep r i n c i p l eo fp w md r i v e 2 3 3l e d 混色技术 ( 1 ) 可见光谱 如图2 6 所示，光谱是复色光经过色散系统分光后，被色散开的单色光按波长( 或 频率) 大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。人的视觉可以感受到的光谱称为可见 光谱，波长范围在3 8 0 ，- - 7 8 0 n m 之间【2 5 】。 1 6 基于n 1 0 si i 的l 功景观灯控制系统的研究 频率 波长 无线电坡红外线紫外线x 射线甲而射线 f = 1 0 5h zf = - 1 0 1 0hef = 1 0 bh zf = 1 0 2 0h zf = - 1 0 2 5h z h z lilif a = 7 8 0 n m 图2 6 电磁辐射波谱 a = 3 8 0 n m ( 2 ) 颜色相加原理 格拉斯曼于1 8 5 3 年总结出色光混合的基本规律，这就是格拉斯曼颜色混合定律， 其内容如下：l 、人的视觉只能分辨颜色的三种变化，它们是明度、色调和饱和度。2 、 两种颜色混合，如果一种颜色成份连续变化，混合色的外貌也连续变化【2 6 1 。 简单来讲，虽然不同波长的色光会引起不同的色觉反应，但是相同色彩的感觉却可 能来自不同的光谱成分。例如用适当比例的红光和绿光配合就能产生与黄光相同的视觉 反应。事实上，自然界中的所有色彩都能够由红、绿、蓝三基色混合而成。在景观照明 领域，为了标准化起见，国际照明委员会( c i e ) 作了统一规定，即选用红光波长7 0 0 n m ， 绿光波长5 4 6 1 n m ，蓝光波长4 3 5 8 r i m 的三色光作为三基色【2 7 1 。 根据颜色混合定律，颜色相加原理可以表示为c ( c ) = r ( r ) + g ( g ) + b ( b ) ，c 、r 、 g 、b 分别表示被匹配颜色与红、绿、蓝三基色的数量。也就是说一个l e d 像素点的颜 色可以通过控制r g b 三基色的狄度来控制【2 8 】。 1 7 第2 章控制系统总体设计方案 事实上，并不是所有的光源都适合于混色技术，而l e d 光源本身具有的谱线窄、 体积小、响应速度快的特点，使其非常适合于混光、混色技术的应用。 1 8 基y - n i o si i 的l e d 景观灯控制系统的研究 第3 章l e d 景观灯控制器硬件设计 前一章介绍了l e d 景观灯控制系统的整体结构，网络节点控制器的原理以及全彩 l e d 景观灯具的原理。在本章，将重点介绍l e d 景观灯网络节点控制器在硬件上的选 型、设计以及实现方法。以a l t e r a 公司的f p g a 为核心设计控制器，目的是为s o p c 系统和n i o si i 处理器的运行搭建一个硬件平台。 3 1 控制器硬件结构 网络节点控制器是连接基于t c p i p 协议的主网与基于d m x 5 1 2 协议的子网之间的 枢纽。它的主要结构包括网络通信、数据存储、控制输入和信号转换几个部分。控制器 以c y c l o n ei i i 系列的f p g a 为核心，应用资源包括系统时钟、配置器件、s d 卡、网络 控制器、存储器、l c d 、按键、j t a g 接口等。它的总体硬件结构如图3 1 所示。 图3 1 网络肖点控制器硬件结构 f i g 3 1t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fa l ll e dc o n t r o ll e ra s an e t w o r kn o d e 1 9 第3 章l e d 景观灯控制器硬件设计 3 2 硬件选型 3 2 1f p g a 器件选型 a l t e r a 和x i l i n x 是目前全球最大的两个生产f p g a 的厂家，它们的f p g a 产品 各有独到之处，同性能的产品相比，a l t e r a 的价格更低，但x i l i n x 的短线资源更加 丰刮2 9 1 。本论文选用a l t e i 认公司的c y c l o n ei i i 系列器件作为中央控制单元。c y c l o n e i i i 是a l t e r a 公司c y c l o n e 系列的第三代产品，它具有用户自定义功能、业界领先的 性能。与第二代产品相比，它的密度更大，集成度更高，功耗更低，极大地降低了设计 成本。 在选择f p g a 器件的具体型号时，需要综合考虑引脚数目、引脚封装、逻辑单元和 其它逻辑资源。表3 1 是c y c l o n ei i i 系y u f p g a 器件特征表【3 0 1 。 表3 1c y c l o n ei i i 系列f p g a 器件特征表 t a b 3 1t h ef e a t u r et a b l eo ff p g ad e v i c e si nc y c l o n ei i if a m i l y f e a t u r ee p 3 c 5e p 3 c 1 0e p 3 c 1 6e p 3 c 2 5e p 3 c 4 0e p 3 c 5 5 l e s5 1 3 61 0 3 2 01 5 4 0 82 4 6 2 43 9 6 0 0 5 5 8 5 6 m e m o r y ( k b i t s ) 4 1 44 1 45 0 45 9 4l1 3 42 3 4 0 e m b e d d e dm u l t i p l i e r s2 32 35 66 61 2 61 5 6