CN100559909C - 串行总线连接的群组式led景观灯控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统。本发明景观灯控制系统包括主控制器01、数据转换器02、驱动器03和LED光源板04、外部电源08、外部通信09等部分组成。主控制器01内部由微控制器11、通信接口12、复位电路13、串行总线接口14、电子盘15、电源接口16组成。本发明选用高亮度、高效率发光二极管作为光源，可节约电能；可延长灯具的使用寿命。依据三基色原理，将若干只红色LED、绿色LED、蓝色LED混合在一起，作为一个点光源，再在点光源的外部套上一个具有混光效果的乳白色灯罩。通过控制红、绿、蓝LED管的通断，即可实现红、绿、蓝三种颜色的叠加效果，这样可以混合出七色光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)，和白光。

Description

串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统
【技术领域】：
本发明属于城市夜景灯光控制技术领域，特别是彩色LED景观灯的控制。
【背景技术】：
目前在许多城市的广场、游乐场、街道、立交桥等场所，为增添城市夜晚美好的景色，安装和使用了大量的景观灯照明设施。这些景观灯基本上采用高亮度大功率灯芯作为光源，如节能灯、日光灯、白炽灯、氖灯等等。因为这些光源发出的光都是单一颜色的，为实现彩色景观灯的效果，需要在光源的外面安装不同颜色的灯罩做成不同颜色的彩灯，再将这些彩灯组装成事先设计好的图案，如树形、柱形、条形、环形、护栏形等等。
目前的城市景观灯设计方法明显存在如下缺陷：
1电能耗费大，在能源日益紧张的形势下，不符合经济的和社会的需要。
2灯芯寿命短，更换灯芯的工作受到安装场地、环境的限制，难度非常大。
3图案和颜色固定，长期使用，给市民或游客带来乏味。
除上述设计缺陷外，目前城市景观灯的控制方法也存在许多缺陷：
1控制方式单一，基本上是手动开关控制。
2同一组景观灯由一个开关控制，不能实现单只灯的控制。
3每只灯只能发出一种固定颜色，不能实现灯几种颜色之间的随时变换。
【发明内容】：
本发明目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统。
本发明提供的串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统，包括：
——主控制器01：同时连接Y条串行总线07，这些串行总线编号为1号、2号…Y号串行总线；
每条串行总线07同时连接X个数据转换器02，这些数据转换器首尾相互连接，其编号为Li1、Li2…LiX，字母X表示第X号数据转换器，LiX表示第i号串行总线上的第X号数据转换器，其中字母i表示从第1号到第Y号串行总线；使本控制系统能够连接的光源总数目为Y*X盏，其中Y、X表示大于1的整数；
——数据转换器02：与驱动器03之间的连接关系05表示数据转换器02输出的颜色信号，包括红色信号RED、绿色信号GREEN、蓝色信号BLUE；
——驱动器03：与LED光源板04之间的连接关系06表示驱动器输出的LED管驱动电压，包括红色发光管电压RED_LED、绿色发光管电压GREEN_LED、蓝色发光管电压BLUE_LED和电源V2；
——LED光源板04：被控光源；
——外部电源08：与主控制器01连接，向本控制系统输入工作电源。
主控制器11同时还可以通过数据线连接外部通信09。
其中主控制器组成包括：
——微控制器11：一块8位或16位单片机，它内部含有数据存储器和程序存储器；
——复位电路13：与微控制器11之间通过控制线18连接，控制线18包括看门狗选通信号线XCS、时钟信号XSCK、串行数据输入信号XSI、串行数据输出信号XSO和复位信号线RST；
——串行总线接口14：内部与微控制器11之间通过数据线19连接，数据线19包括串行数据线、串行时钟线、数据锁存线；外部连接Y条串行总线07；
——电子盘15：与微控制器11之间通过数据总线20连接，数据总线20包括电子盘时钟信号CSCK和数据信号CSDA；
——电源接口16：内部与微控制器11之间通过电源线21连接，电源线21包括电源正线VCC和电源负线GND，外部与外部电源08之间连接；
主控制器11内部同时还包括通信接口12，该通信接口与微控制器11之间通过数据线17连接，数据线17包括接收信号线和发送信号线；通信接口12与外部通信09连接，外部计算机通过通信接口12将图案信息传输到主控制器中。
本发明的优点和积极效果：1、本发明选用高亮度、高效率发光二极管(即LED)作为光源，可节约电能。2、可延长灯具的使用寿命。3、依据三基色(红、绿、蓝)原理，将若干只红色LED、绿色LED、蓝色LED混合在一起，作为一个点光源，再在点光源的外部套上一个具有混光效果的乳白色灯罩。通过控制红、绿、蓝LED管的通断，即可实现红、绿、蓝三种颜色的叠加效果，这样可以混合出七色光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)，和白光。4、通过数字量信号分别控制光源中的红、绿、蓝LED管的通断，即可实现单个光源颜色的随时变换。5、将上述光源组合在一起，形成一组基本图案，如树形、柱形、条形、环形、护栏形，那么这些图案的颜色将会是可以控制的，即达到动态效果，如滚动、跑马灯等。6、采用单片机作为核心控制器，辅助以其它集成电路，构成景观灯智能控制器，存储事先设计好的彩色图案，可以完成对光源颜色的动态控制。7、采用“串行”与“星形”组合形式作为景观灯控制的基本方式。其中，“串行”是指连接每个光源驱动器的串行总线，它是一条全数字高速串行总线，理论上，这条总线上连接的光源驱动器数量有无限多个。另外，“星形”是指多只光源的驱动器(如树形景观灯中的某层光源)集中在一起构成一块光源驱动板，再以星形方式“一对一”连接光源。8、本发明所设计的串行总线由三个信号线构成，分别是串行数据、串行时钟、数据锁存。9、本发明所设计的景观灯智能控制器可以完成一组LED景观灯的控制。同时，本控制器带有RS488通信接口，多台控制器可以组成分布式景观灯控制网络，计算机可以作为一个节点连接景观灯网络，通过计算机程序可以动态修改景观灯的图案颜色或样式。这种方案非常适用于大型广场或游乐场的灯光夜景控制。10、本发明的景观灯智能控制器连接的驱动器输出数字量信号，不仅可以用于LED光源的驱动控制，而且稍加改动就可以实现其它开关式光源的驱动控制。
【附图说明】：
图1是控制系统总体框图；
图2是主控制器内部框图；
图3是主控制器原理图；
图4是串行总线与数据转换器驱动器原理图；
图5是光源板原理图。
【具体实施方式】：
实施例1、
本发明景观灯控制系统(参见图1)：
包括主控制器01、数据转换器02、驱动器03和LED光源板04、外部电源08、外部通信09等部分组成。
为达到同时控制多组LED光源的目的，同时保证数据传输的可靠性，主控制器01同时连接多条串行总线07，这些串行总线编号为1号、2号。。。Y号串行总线。
每条串行总线07同时连接多个数据转换器02，这些数据转换器首尾相互连接，其编号为LY1、LY2。。。LYX，其中字母Y表示第Y号串行总线，字母X表示第X号数据转换器，组合后LYX表示第Y号串行总线上的第X号数据转换器。本控制系统能够连接的光源总数目是Y*X盏。其中Y、X为大于1的整数。串行总线与LED光源之间的对应关系如下表，即光源排列矩阵表：
Figure C20051012224800071
每个光源的颜色信息在电子盘中占一个字节空间，如上表所示的彩灯系统占用X*Y个字节空间。实际中，每个光源的颜色信息由3位控制，只占用了一个字节中的3位。
主控制器组成(参见图2)：
主控制器01内部由微控制器11、通信接口12、复位电路13、串行总线接口14、电子盘15、电源接口16组成。
主控制器功能：
(1)控制器接收外部通信09发送来的彩灯图案信息，存储在电子盘15中。
(2)产生串行时钟信号SCK，作为串行总线上数据转换器02的同步和移位信号。
(3)读取电子盘15中的图案信息，转换成串行数据，输出到串行数据线SDA上。
主控制器原理图设计(图3)：
按照主控制器01结构图的要求，本发明设计了主控制器原理图，具体设计如下：
微控制器11的标号为U1，选用单片机8751。
通信接口12的标号为U4，选用全双工收发器MAX488，U4与U1之间通过信号线RXD和TXD连接，同时U4经过接口J2连接外部计算机。
复位电路13的标号为U3，选用看门狗复位监控电路X25045，U3与U1之间通过信号线XCS、XSI、XSO、XSCK连接。
电子盘15的标号为U2，选用串行EEPROM存储器AT24C256，U2与U1之间通过CSDA、CSCK连接。
电源接口16的标号为J1，由外部输入工作电源VCC、GND。
串行总线接口14的标号为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16，共计16条串行总线输出接口。
这16串行总线均含有相同的串行时钟信号SCK、数据锁存信号LD。
这16串行总线均含有串行数据信号SDA，但是，不同的串行总线SDA标号不同，具体对应关系为：S1串行总线对应SDA1，S2串行总线对应SDA2，依次类推，S16串行总线对应SDA16，。
单片机U1的P0端口的8条数据线经过U5驱动器74LS45分别连接串行总线S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8的SDA；
单片机U1的P2端口的8条数据线经过U6驱动器74LS45分别连接串行总线S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16的SDA；
单片机U1的P1端口的P17数据线经过U7驱动器74LS245连接16条串行总线的时钟线SCK；
单片机U1的P1端口的P16数据线经过U7驱动器74LS245连接16条串行总线的数据锁存线LD；
串行总线与数据转换器原理图设计(参见图4)：
本发明为解决多个LED光源驱动器的连接问题，专门设计了一种串行总线。这种串行总线包括3个信号：串行数据信号SDA、串行时钟信号SCK、数据锁存信号LD。具体定义为：
串行数据信号SDA：由主控制器发出，以1或0表示，代表LED发光管的亮或暗。
串行时钟信号SCK：由主控制器发出，一定周期T的方波信号，作为串行总线上的同步信号和数据移位信号。
数据锁存信号LD：由主控制器发出，是一个数字量信号，逻辑1代表数据锁存，逻辑0代表移位。
串行总线上能够连接N个数据转换器02，同一条串行总线上的数据转换器首尾相互连接，同时每个数据转换器连接一个光源驱动器03。
数据转换器02输入端与串行总线SBUS-IN连接，它的作用是接收串行时钟信号SCK，通过移位寄存器CD4094，将串行数据SDA转换为并行数据D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，存储在CD4094内部缓冲区中。
数据转换器02接收到数据锁存信号LD后，将CD4094内部缓冲区的数据输出到端口Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8，再输入到光源驱动器。
光源驱动器原理图设计(参见图4)：
LED光源中的发光管是靠电流驱动才发光的，发光强度与电流以及导通电压之间的关系不同厂家型号的LED管各不相同，通过调节限流电阻R的大小可以调节LED电流的大小，即而调节发光强度。
本发明设计的LED光源驱动器03主要由达林顿驱动电路ULN2003或者ULN2803构成，它的特点是驱动能力强，可以保证LED管的发光强度。
每个LED光源需要一个光源驱动器。
LED光源板原理图设计(图5)：
根据三基色混光原理，每盏LED光源中必须含有红色、绿色、蓝色LED发光管。因为中同样数量的红色、绿色、蓝色LED发光管发出的光的强度不相同，为达到一定的混光效果，光源中的红色、绿色、蓝色LED发光管的数量可能不相等。在光源板04中，相同颜色的LED管在串或并联后汇集在一个控制点，这样每盏光源需要红RED-LED、绿GREEN-LED、蓝BLUE-LED三个控制点。

Claims (1)

1、一种串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统，其特征是该系统包括：
——主控制器(01)：同时连接Y条串行总线(07)，这些串行总线编号为1号、2号···Y号串行总线；
每条串行总线(07)同时连接X个数据转换器(02)，这些数据转换器首尾相互连接，其编号为Li1、Li2···LiX，字母X表示第X号数据转换器，LiX表示第i号串行总线上的第X号数据转换器，其中字母i表示从第1号到第Y号串行总线；使本控制系统能够连接的光源总数目为Y*X盏，其中Y、X表示大于1的整数；
——数据转换器(02)：与驱动器(03)之间的连接关系(05)表示数据转换器(02)输出的颜色信号，包括红色信号RED、绿色信号GREEN、蓝色信号BLUE；
——驱动器(03)：与LED光源板(04)之间的连接关系(06)表示驱动器输出的LED管驱动电压，包括红色发光管电压RED_LED、绿色发光管电压GREEN_LED、蓝色发光管电压BLUE_LED和电源V2；
——LED光源板(04)：被控光源；
——外部电源(08)：与主控制器(01)连接，向本控制系统输入工作电源；
其中，主控制器组成包括：
——微控制器(11)：一块8位或16位单片机，它内部含有数据存储器和程序存储器；
——复位电路(13)：与微控制器(11)之间通过控制线(18)连接，控制线(18)包括看门狗选通信号线XCS、时钟信号XSCK、串行数据输入信号XSI、串行数据输出信号XSO和复位信号线RST；
——串行总线接口(14)：内部与微控制器(11)之间通过数据线(19)连接，数据线(19)包括串行数据线、串行时钟线、数据锁存线；外部连接Y条串行总线(07)；
——电子盘(15)：与微控制器(11)之间通过数据总线(20)连接，数据总线(20)包括电子盘时钟信号CSCK和数据信号CSDA；
——电源接口(16)：内部与微控制器(11)之间通过电源线(21)连接，电源线(21)包括电源正线VCC和电源负线GND，外部与外部电源(08)之间连接。
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