霓虹灯的控制技术.doc

霓虹灯的控制技术 (上)一、 霓虹灯的工作原理 霓虹灯是一种冷阴极的低压气体辉光放电管，内置没有灯丝的电极，由高压轰击产生冷电子发射，激发弧光放电使管内气体原子受激辐射发光。霓虹灯管工作时呈现负阻特性，需要由专用的高压变压器（3KV6KV,1560mA）来驱动，在霓虹灯起辉瞬间能够提供较高的击穿电压，稳定发光后将电压降到一个较低的数值，因此驱动变压器具有镇流作用。为了改善其工作特性和得到指定的颜色，常常充入几百帕斯卡压强的惰性气体与少量的金属汞。如果在灯管中充入纯氖气、汞氖气、汞氩气，或者涂覆荧光粉将显示不同的颜色。 一个能够独立控制的霓虹灯管只能显示一种颜色，若要显示人眼可见的丰富的色彩，需要用几种单色的灯管通过加色法混合产生。常用的方法是由红绿兰三个基色组合构成一个彩色显示单元，如果分别控制这三个基色灯管的亮灭，就可以产生七种颜色。分别是：红色、红色+绿色=黄色、绿色、绿色+兰色=青色、兰色、兰色+红色=紫色、红色+绿色+兰色=白色。如果通过微处理器分别控制这三个基色灯管的亮度，那么可以合成千变万化的色彩，与控制霓虹灯管亮灭方式不同。若三个灯管的亮度同向同幅度变化，合成色将产生饱和度的变化（颜色深浅）；若三个灯管的亮度分别自由变化，合成色将产生色调的变化（颜色不同）。如果每个基色灯管的亮度调节范围不大于128级，那么三基色合成颜色的最大数目约为200万色。 霓虹灯的亮度调节和色彩合成需要专用的调光控制设备。早期的霓虹灯控制采用机械式高压跳机实现，可靠性差、干扰大、速度慢、故障率高，现在已经难觅踪影。随着霓虹灯技术的进步，广泛采用微电子技术设技实现，具有较强的灵活性和较高的可靠性。既可以对霓虹灯进行亮灭控制，又可以进行数字化调光混色，产生千变万化、五彩缤纷的色彩，大大地增强了霓虹灯的渲染效果，代表了霓虹灯调光技术的最新水平，是霓虹灯控制技术发展的必然产物。二、霓虹灯的控制技术 1、多功能彩灯控制器，一般采用时序逻辑集成电路设计，如图一所示的电路使用了一片四D锁存器74LS175。通过设置五选一跳线，最多有5个控制花样可以选择，电路结构简单，成本较低，稳定可靠，大量应用于流水灯和跑马灯带的控制。 另一种方案采用彩灯专用集成电路SH803或者SH805设计，如图二所示。片载同步过零检测器，SH805内置的控制花样多达16种，通过一个轻触按键选择并锁定花样，并有渐变调光效果，其简易设计版本大量地应用于各种节日彩灯串的控制。 2、普通型霓虹灯程序控制器，可以按照预定的程序对霓虹灯实现复杂化和多样化的控制。在图三电路中，用异步二进制分频器4024取得电网的同步信号，采用异步地址发生器4040驱动程序存储器，顺序取出先前定制的灯光控制程序，用来驱动数据端口上的三极管。这种程序控制器设计可靠，技术成熟，性能稳定，采用同步过零触发技术，减少了对电网的污染，提高了可控硅的可靠性，无感应，冲击小，有大量的扫描程序支持，是业界应用最为广泛的产品。 3、超级彩灯控制器，本质上仍然是程序控制器，只是电路结构及其适用范围有些不同，没有设计同步及过零检测电路，适合于单机独立使用，参见图四。使用4060作为地址发生器驱动存储器，将整个存储器空间均匀地分割为32个程序段，内置多种千变万化的彩灯程序，通过设置五位DIP开关可以选择任何一段，也可以取下13个跳线随意实现28段程序的组合应用；通过三位DIP开关可以设定28路控制输出，能够非常灵活地应用到各种小规模的灯光控制中。 4、调光型霓虹灯程序控制器，采用常规的集成电路如运算放大器、异步地址发生器和只读程序存储器设计，是从普通型霓虹灯程序控制器演化得到的，但结构要复杂些，电路原理见图五，时序图见图六。由两个运放单元PB和PD进行同步信号的取样、延迟和整型，以便在交流电过零点附近取得下跳沿的同步脉冲用于地址计数，由4040和4024级联组成15位地址发生器，驱动四片程序存储器并行工作。 程序存储器的每字节数据是由两组霓虹灯的亮度值组合构成的，也就是用半个字节数据表示一组霓虹灯亮度，范围是016级，八组灯管共四个字节复合数据顺序地存储到四片存储器的相同地址之中。相应地，每片程序存储器的8位数据端口被分为两组，每组通过4位数据总线传送到由运放构成的权值加法器中，进行数模转换得到模拟信号，但还不能直接用于触发可控硅进行调光，需要进一步的脉冲转换。 从运放PE得到过零点附近的正幅值窄脉冲，由其后的单向RC积分网络完成类锯齿波的转换，这个类锯齿波的形状就是电容的放电波形，尽管不一定与霓虹灯的亮度曲线完全相符，但需要用它进行脉冲甄别，将来自权值加法器的模拟亮度值转换为不同时刻的触发脉冲，从而改变了可控硅的导同角，最终得到了连续变化的灯管亮度。 虽然这种电路可以实现基本的调光功能，但本身所固有的缺陷是难以克服的。主要原因是霓虹灯视觉亮度的非线性无法用简单的类锯齿波来模拟，用类锯齿波作为参考电平进行波形甄别而得到的触发脉冲序列与霓虹灯的亮度特性不能一致，可能会产生亮度分布不均匀的问题。虽然可以通过复杂的RC网络得到与实际亮度曲线相近的波形，但元件参数对调光效果有较大的影响，参数变动的灵敏度较高。 例如对于图五中的由D4、R5和C1组成的简单的单向网络中，如果C1没有深度放电就被充电返回，将严重影响霓虹灯的调光级别，亮度级数大大减少，调光效果粗糙；又如串联在加权电阻网络R15-R18回路中的一支电阻，参数必须准确，否则将影响数模转换的动态范围，最终影响触发脉冲序列出现的间距，使调光范围变窄。 另一个原因是16级的调光范围小一些，调光效果较差，不能满足更高级别的调光需要。这种电路使用四片程序存储器，结构复杂，成本较高，可靠性低，是霓虹灯调光的初级产品，现在已很少使用，基本上被渐变型霓虹灯数码调光器所取代。 5、渐变型霓虹灯数码调光器，采用微处理器MCU设计，性能要高于调光型霓虹灯程序控制器，与普通的霓虹灯控制器有着本质的区别，如图七所示。通过二进制计数器提供地址来驱动调光方向控制码存储器和调光增量存储器，将存储在两片存储器的同一地址的调光方向控制码和调光增量，分别通过两个I/O端口传送给MCU，没有使用MCU的外部数据空间。 加载到I/O端口上的数据保持时间与速度设置值相关，一般为数十毫秒。MCU每隔10ms分别读一次两个I/O端口，得到“复合调光增量-调光方向控制码”数据对儿，尽管这个数据对儿可能与上个周期相同。为了降低存储器的使用数目，简化电路设计，可以将调光方向控制码和调光增量交叉合并到一片较大容量的存储器中，但电路结构需要改变，因为需要在每个调光周期迅速读入两字节的“复合调光增量-调光方向控制码”数据对儿，所以必须将存储器的最低地址线改由MCU控制，以便快速变换地址。 进一步说，如果需要在一个调光周期连续读入8个字节的数据，那么就需要由MCU控制存储器的三根最低地址线。采用CMOS硬件地址计数器驱动存储器的设计方法，出现地址错误的几率小一些，抗干扰能力强于软件数据指针。但也有问题，MCU不能进行有效的地址备份，地址计数器一旦发生错误，MCU无法得到当前的数据位置，也就无从正确恢复运行。 6、渐变型霓虹灯数码调光器的另一种电路形式参见图八，表现为电路接口方式有所不同，是微处理器应用系统的典型结构。调光控灯数据被存储在微处理器的片外只读RAM中而不是送往I/O端口，软件设计灵活，无须改动PCB电路板走线，可以方便地改变数据结构得到产品的升级版本。可以备份包括数据指针在内的各种过程数据副本，程序运行一旦出现错误，只要措施得当，能够非常准确地恢复到出错前的位置，真正地做到无扰动重入，从而保证所有数码调光器的同步运行。三、数码调光器的设计方法 1、霓虹灯的渐变调光原理。如图九所示，100Hz的半波脉动直流电等同于50Hz交流电，微处理器在每个10ms半波的初始位置或者交流电过零时刻采集到同步信号，根据读取外部存储器的亮度控制数据计算出触发脉冲的出现时刻，然后通过微处理器端口控制可控硅导通，输出与脉冲宽度相对应的缺角正弦波电压，利用人眼的视觉暂留特性，可以看到霓虹灯管不同的平均亮度，实现了霓虹灯管的调光控制。如果每经过数十毫秒增加一次触发脉冲的宽度，那么就可以看到灯管的亮度渐渐增加；反之，当匀速缩小触发脉冲的宽度时，灯管的亮度将渐渐减弱。触发脉冲宽度变化的速率即每级亮度的调节最快为10ms，最慢可达1280ms，但过快或过慢的变化速率没有实际意义，实践证明，每隔20ms80ms变化一级亮度可以得到较为柔和的视觉效果。 2、实现多彩渐变调光应该具备一定的条件。三基色霓虹灯管应该选用同一厂家的同批材料，具有相同的材质，相同的生产工艺，批量生产前，一定要试制几根灯管来目测三种基色灯管的亮度特性是否一致；制灯条件应该相同，确保一致的真空度和老化时间；安装工艺力求规范，霓虹灯管间距均匀平齐，避免高压线平行或者杂乱绞合。如果条件具备，应该将霓虹灯管安装在具有漫反射作用的白钢板或者铝合金板上，可以使色彩混合更加均匀柔和。配套的霓虹灯变压器应该具有启动速度快、启动电压低的特点，内部应该有一只串联在电源输入回路中的电感线圈，用来抑制电流的上升率，降低损坏功率开关元件的可能性。尽管如此，由于三基色霓虹灯管的亮度特性不一致，使用相同的激励电压，却不一定能够正确地表现出特定色彩，这就需要霓虹灯编辑软件在形成代码时对各个基色灯管的亮度分别进行调整，修正亮度误差，尽可能获得相近的亮度特性。 3、供电电源的性质。出于成本的考虑，渐变型霓虹灯数码调光器绝少采用直流电源方案，否则将因为使用高电压、大容量的滤波电容而增加成本。数码调光器的功率控制器件一般使用可控硅或者场效应管，由于场效应管不能工作于交流电路中，所以需要将交流电源进行功率整流，但不进行滤波，变换为脉动直流电源，电路结构较可控硅电路复杂一些；而可控硅则可以直接工作在交流电回路中，因此不需要功率整流电路。 4、关于视觉亮度的意义。所谓视觉亮度，是试图定性描述人眼对霓虹灯管亮度的主观感觉。而用测光计测量的结果一般不符合人眼的视觉亮度，尽管测光计符合CIE Photopic 视觉函数曲线。例如，仪表精确测量的从黑暗到明亮的线性增加的127级亮度，在人眼看来并不是线性变化的，而是在亮度较暗时有较强的跳跃感，在亮度较高时变化很不明显，似乎已经达到饱和亮度。 5、视觉亮度与驱动电压的关系。霓虹灯管的视觉亮度与驱动电压的关系是非线性的，在直流电路中，如果用白炽灯作为负载，输入电压与输出功率的关系是线性的；但输入电压与视觉亮度之间的关系却是非线性的；对于负载特性呈现负阻特性的霓虹灯管，两者的关系更为复杂。而在交流电路中，霓虹灯管的视觉亮度特性更难以用一个数学模型来描述。 6、功率开关对调光效果的影响。采用可控硅或场效应管作为功率开关，两者是有一定的区别的。尽管可控硅可以根据需要在交流电半波的任何时刻开通，但是却不能被控制关断，只能在交流电过零处自行关断，这个结果不是我们所期望的。 由于霓虹灯管的视觉亮度特性不理想，调光时不能取用交流电10ms的全部波形（定义交流电半波右侧波谷为起点0ms，左侧波谷为10ms），经过多次实验，一般取用交流电波形的7.5ms至1.2ms之间进行非线性调光。7.5ms以上时霓虹灯管的亮度已经饱和，1.2ms以下时霓虹灯管的亮度变得不稳定。如果使用可控硅进行调光，在全部视觉亮度级别范围内，每一级亮度都附加了一个我们所不希望的原始附加值增量，这个增量就是1.2ms的缺角正弦波，对霓虹灯管的亮度是有贡献的，因此干扰了正常的亮度分级，好在这种作用在快速色彩变换时不太明显，所以还是愿意使用电路较为简单的可控硅作为功率控制器件。 可控硅的型号众多，应该选用散热片绝缘型，以降低安装工艺要求，如BTA10/600C，有合适的触发灵敏度，可采用I+III-触发方式以降低电源消耗。如果使用场效应管，可以根据需要在任何时刻进行开通或关断，不存在可控硅电路固有的问题，能够理想地实现霓虹灯管的视觉亮度的线性控制。 7、关于调光分辨率。在图八所示的设计示例中，晶振频率为16MHz，10毫秒的时间折算为13333个指令周期，所以调光曲线的最大值范围在7.5ms至1.2ms之间为8400个指令周期，其上的127个刻度平均分辨率高达668400=0.007，即千分之七。所以，只要能够准确地测量出调光曲线的关键点，就能够真实地实现色彩的正确合成。 8、准确的亮度特性曲线是进行脉冲调光的基础。霓虹灯管需要很高的电压才能稳定工作，电压较低时出现启动困难，或者灯管内出现气旋，亮度不稳定。驱动变压器在输入电压较低时，不能产生特高的电压击穿霓虹灯管，变压器的输出端没有负载电流，相当于负载开路，立即进入故障保护状态。所以霓虹灯变压器不能在电压较低的电源中工作，因此不能像阻性负载那样用电压的变化进行调光。 要对霓虹灯管进行调光，必须采用脉冲调光技术。理想的情况是使用稳定的直流电源，采用没有时间延迟、开关速度快的变压器和功率开关器件。由于直流电压是不变的，霓虹灯管的视觉亮度仅与脉冲宽度有关。实际上，霓虹灯变压器是工作在大小和方向周期性变化的交流电源中，所以霓虹灯管的亮度即与脉冲宽度有关，又与交流电压的瞬时幅度有关。 要正确地实现调光，需要得到准确的视觉亮度与可控硅触发时刻的对应关系，即用来进行反伽玛校正的调光曲线。对于127级的视觉亮度调光级数，需要一个0127级的触发时刻表。因为手动调解电位器来控制可控硅导通角的准确度较低，我们可以用测光计测量十几个有代表性的对应点，然后运用二阶或三阶趋势插补技术形成127个点，最后使用读图及数据转换处理程序直接得到微处理器所必需的触发时刻表，既快捷又准确。也可以采用另一种方法，先设计一个很高级数的微处理器调光程序，由微处理器的端口驱动可控硅，用按键步进微调得到每一级亮度，然后直接读取测光计的显示值，进行归一化处理和坐标变换后记录到一个文本表中，再用数据转换程序处理得到所需的十六进制格式，每一级亮度值用两个字节来表示。 9、白平衡的近似调整。由于三基色霓虹灯管的亮度特性不一致，共同使用一个触发时刻表可能会有较大的误差，理应分别使用各自的调光曲线。这类似于电视机显像管的三基色电子枪，由于调制特性的不同，分别设计了补偿和调整电路，以便进行白平衡和暗平衡的调整，确保色彩的正确还原。与电视机显像管不同的是，每种基色的众多霓虹灯管无法保证其特性的一致，所以对其进行色彩平衡的精确调整没有实际意义，因此可以考虑三个基色共同使用一个调光曲线，分别取得相同的亮度级数但刻度位置不同的触发时刻表。 不过，由于三个基色霓虹灯管的亮度发生饱和的位置不同，可以考虑针对每个基色，单独制定各自不同的最大触发时刻，用来对应每个基色灯管的临界饱和点。由于此前已经定义三个基色共用的调光曲线最大为127个刻度，那么容易饱和的基色要在亮度饱和点和起点之间分配刻度，刻度的总数即视觉亮度级数必定要小于其他基色，其余不易饱和的基色需要按照同样的刻度数目在同一条调光曲线上取得调光时刻序列，这个过程由另行提供的调光花样编辑软件在形成控制代码时自动完成。10、关于渐变型数码调光器的数据结构，常常采用两种方案。第一种是动态数据结构，是由普通型霓虹灯程序控制器的数据结构演化而来的，普通型霓虹灯程序控制器的调光结果，仅仅是调光增量最大值时的渐变数码调光结果的一个特例。外部只读RAM中存储的是“复合调光增量-调光方向控制码”数据对儿，复合调光增量存储在奇数地址，调光方向控制码存储在偶数地址。 微处理器先读入一字节复合调光增量值后拆解，高半字节是亮度减量值，低半字节是亮度增量值；然后再读入一字节的调光方向控制码值，按此字节的位顺序判断，若位值为1将此位对应的霓虹灯亮度累积单元按增量幅度增量，若位值为0将此位对应的霓虹灯亮度累积单元按减量幅度减量。 自此，一字节的8位调光方向控制码分别控制调光增量累加到8字节的亮度累积缓冲区中，亮度上限为7FH, 下限为0H。微处理器的调光工作过程就是进行“复合调光增量-调光方向控制码”数据对儿的解释，灯管的当前亮度与过去的状态有关，是动态累积的。而普通型霓虹灯程序控制器数据格式相对简单，要么100%的亮度，要么完全的黑色，没有中间半色调，一个字节的8位二进制值分别表达了八组霓虹灯的亮灭状态，是一帧完整的控灯数据，用二进制位1表示亮，用二进制位0表示熄灭，可以认为灯管的亮度与过去无关，不存在“复合调光增量-调光方向控制码”，与渐变型数码调光器有些不同。 第二种是静态数据结构，相当于亮度分布式。每个字节表示对应一组灯管的亮度级，相当于动态数据结构版本进行亮度累积后的结果，所以工作过程要相对简单些。每八个字节分别对应8组霓虹灯管，是一帧完整的控灯数据，比动态数据结构多占用几倍的存储空间。由于三个基色的亮度特性不同，每帧数据中不同的基色，其亮度级已经分别进行了校正，表现为三个基色同一级别的亮度级却有着不同的值，但相差不大。这个结果是由另外提供的霓虹灯编辑软件按照三个基色亮度曲线的特异性分别处理的而得到的。 两种数据结构有着不同的特点。动态数据结构占用存储空间较小，灯管亮度逐渐建立或逐渐消失的时间与速度无直接关系，亮度步进变化不会出现跳跃现象，非常柔和。缺点是半色调灰度只能动态地出现，不能在画面上静止，空间分布的亮度变化级数即拖尾长度与速度设置紧密相关，改变速度需要同时改写控制程序，否则调光效果将大大下降。 静态数据结构的优点是半色调灰度可以任意停留，控制代码直接代表了亮度级别，容易理解，空间分布的调光级数与速度无关。缺点是占用几倍的存储空间，亮度渐变过程在速度较低时产生步进跳跃感。必须注意，普通型程序控制器的数据必须对齐或写满到2的幂倍数地址，图三电路规定为1FFFH（8k 字节），而渐变型数码调光器可以写到不超过0FFFFH（64k字节）内的任何位置，这个过程是由编辑软件控制的，无须用户关心。 11、调光控制数据的运算过程。霓虹灯调光控制器一般被设计为小规模的分体结构，便于安装、维修和节约连接导线，经常多台同步使用。一个霓虹灯广告牌由很多根能够独立控制的灯管组成，按照设计编号分别接入控制器的对应端口，每台控制器仅提供8个端口，所以需要多台控制器共同协调同步工作才能完成控灯任务。 各台控制器相互之间没有横向移动的概念，亮度的衔接过渡是在霓虹灯编辑软件中自动完成的，所有控制器的并行排列在编辑时被视为一张完整的画面。动作设计完成后，由编辑软件自动将整幅画面按照每8列一组纵向切割成若干个竖条，再按照控制器的排列顺序以数据形式分别存储到各个MCU的片外数据空间中。 调光过程是画面切割顺序存储的逆操作，按空间顺序分布的所有控制器，只有以严格的步调按照时间帧顺序纵向运行，同时输出相同地址的数据，才能拼合成一幅完整的移动画面。如图十所示是动态数据结构片断，被两条纵向线段包含的区域是其中第8台控制器的数据，线外的数据存储在相邻的数台控制器中。在MCU内部开辟了对应8组霓虹灯管的8字节亮度累积区，假定亮度累积区在某个时刻的数据是16 12 08 04 00 32 64 96，表示一个按空间分布的渐变亮度带。 从此刻开始，MCU先读取奇地址为1005的复合调光增量36H，其二进制格式为00110110，拆解为03H和06H，换算得到调光减量幅度值4和调光增量幅度值32。再读取偶地址为1006的对应8组霓虹灯管的调光方向控制码0FH，其二进制格式是00001111，然后从左向右按位进行处理，左侧第一位至第四位的0表示有四组灯管的亮度应该减弱，降幅为4；第五位至第八位的1表示有四组灯管的亮度应该增加，增幅为32，于是得到了8组霓虹灯管的一帧相对亮度级数，存储在MCU内部的亮度累积区中，结果是12 08 04 00 32 64 96 127。 按照同样的方法处理地址为1008的控制码00011110，得到第二帧数据，结果是08 04 00 32 64 96 127 124；处理地址为1010的控制码00111100，得到第三帧结果04 00 32 64 96 127 124 120；处理地址为1012的控制码01111000，得到第四帧结果00 32 64 96 127 124 120 116，等等。 以此类推，就可以从局部（一台控制器）观察到一个4级渐亮32级渐暗的亮带向左移动，尽管其整体分布到数台彼此相临的控制器中。采用静态数据结构的控制器工作过程较动态数据结构简单一些，每个调光周期从MCU外部只读RAM直接读取8字节的相对亮度级数，不再需要进行亮度累积，监控软件结构也相对简化。 12、微处理器的复位问题。微处理器一般采用AT89S51，上电复位时所有端口被设置为高阻态，但会向外部回路输出较弱的拉电流，由于P1、P2和P3端口内置了上拉电阻，拉电流更大，这足以使外部的三极管导通，驱动可控硅点亮霓虹灯管，这就是用微处理器设计的数码调光器的通病。 用户在向霓虹灯送电的瞬间，所有的霓虹灯突然全亮，产生很大的冲击电流，容易引起弧光，致使电源开关过早损坏，对操作人员的人身安全也构成威胁。解决这个问题无法依赖于微处理器，只能借助于外部硬件电路来实现。 如图八所示，比较器A3B的负端在上电瞬间产生一个正脉冲，比较器A3B暂时输出低电平，使上拉电阻变换为下拉电阻，选择合适的RC之值恰好屏蔽掉微处理器复位期间各个端口产生的高位漏电流。进入正常状态之后，比较器A3B输出固定的高电平，用来驱动8支上拉电阻以提高微处理器端口的高电平驱动能力。 尽管微处理器手册提供了最佳的上电复位时间，但是对于应用在霓虹灯调光的微处理器的上电复位时间应该长一些。这是因为，霓虹灯的电源开关如交流接触器或者空气开关在动作时会出现较长的暂态振动过程，将产生较大的电源干扰，引起电源不稳定，此时复位时间较小的微处理器有可能出现错误。 所以应该延长复位时间以避开电源波动的阶段，不能通过软件延时来延长微处理器的工作起点。基于这个原因，原理图中对微处理器采用较大的RC复位电路，但不能大于比较器A3B的屏蔽时间。 13、关于同步电路的设计，没有太多的技巧。只要能够正确地取得同步信号，哪一种电路都可以使用，不要忘记还有软件的支持。在图八的原理图中就使用了单个比较器的简易同步电路，实践证明有很高的可靠性。同步信号从电源变压器的次级得到，电源变压器被视为感性元件，将使电压和电流产生相位差，而且由于调光器指示灯的亮暗变化，引起负载的变动，使相位差不断地发生变化。较准确的方法是用电阻直接到交流电网上取用同步信号，但是电源毛刺干扰较大，好在电源变压器的次级整流滤波电路在交流电接近波谷时完全将变压器隔离，电流与电压的相位差固定，此时取得的同步信号是比较准确的。 在设计调光器初期，认为程序混乱与同步丢失有关。所以设计了一段智能的同步信号采集程序，即使同步脉冲丢失一段时间，也能准确补正。但是如果同步脉冲消失的时间过长，将影响到同步修补的精度。智能同步程序的性能要好于硬件锁相环电路，在同步脉冲丢失时，硬件锁相环也无能为力。 程序原理是：调光控制器在加电工作伊始，先采样十几个同步脉冲取其平均值，然后在这个平均值2%的误差范围内查询是否有同步信号，如果同步时刻正确，将加权平均得到新的平均值；如果同步时刻错误或者同步丢失，由软件插补一个同步信号。经过多次观察，发现只要同步电路无故障，交流电源供电正常，同步脉冲永远存在，引起扫描程序混乱的原因来自微处理器的工作失误，所以没有必要使用智能同步程序。 14、渐变型霓虹灯数码调光器的软件设计必须保证运行的可靠性。微处理器的工作环境恶劣，会不断地受到干扰。为了降低成本，微处理器与交流电网没有隔离，直接驱动功率开关元件，这更加增大了干扰的机会。一个霓虹灯工程中常常使用多台数码调光器，相互间没有通讯联络，只有各自参考绝对的同步信号，按照严格的步调运行程序。如果其中某一台出现丢步错误，将会引起扫描花样混乱，后果不堪设想。 所以，数码调光器不仅能够高度可靠地工作，更应该在出现错误的瞬间立即恢复，这个功能是及其重要的。尽管8051内核的微处理器的抗干扰性能劣于PIC微处理器，本质区别在前者有许多双字节指令，而后者全部是单字节指令，但是，如果在监控软件上加强可靠性设计，AT89S51的表现非常出色。为了达到高可靠性的要求，软件设计过程中大大增强了错误处理和数据恢复的能力，这部分的汇编代码占去了全部代码的，使数码调光器在设计之初就具备了高度可靠的性能。 为了检验设计效果，MCU监控软件中增加了现场模拟试验代码。在微处理器的第10脚与VDD之间连接一支几千欧的上拉电阻，然后在第10脚与GND之间连接一个常闭按键开关，就可以进行测试。点按一下模拟程序跑飞发生意外跳转，按下0.5秒以上启动内部随机程序模拟随机出现的死循环。试验结果表明，多台同步运行的数码调光器，无论哪一台受到多少次干扰，都可以在瞬间恢复到出错前的位置，确保了多台调光器的同步运行。如果调光器瞬间失电或者人工复位，扫描花样不会从头开始，而是接续先前的位置继续运行。 动态数据结构的数码调光器简明工作流程如图十一所示，MCU的一种监控程序结构参见图十二。在每个交流电的半波周期，可以采用从127向0走时的时标发生器，去不断地查询各个霓虹灯的触发时刻表，发现时刻与时标相同时点亮对应的霓虹灯管，直到时标发生器停止，半波周期的调光任务宣告完成，如此往复循环不已。 这种监控程序结构可以稳定地工作，但是，如果触发时刻密集，空间亮度分布级数长，调光级数大，分辨率高的时候，监控程序忙于触发时刻表的查询操作，需要微处理器工作在较高的频率。另一种监控程序的设计方法，不使用时标发生器反复查询触发时刻表，而是在定时器中断服务程序中对各个灯管进行调光的同时，进行下一个半波所需的调光数据预处理。 首先获得各个灯管的触发时刻，按照从大到小的顺序排序，换算成各个触发时刻的相对