CN101128979A - 调制的光源使用的高精度控制设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种标准的N比特数字脉冲宽度控制方法的扩展，该方法可以在每个脉冲周期上识别2N个离散的脉冲宽度。本发明提供了一种方法和设备，这种方法和设备可以在2M个脉冲周期的周期上调制脉冲宽度，其中每个脉冲周期可以具有其自身的脉冲宽度或相应的负载周期。因而可以以2N+M个状态的精度控制由此产生的时间平均或有效的脉冲宽度，而不是普通标准方法的2N个状态的精度。

Description

调制的光源使用的高精度控制设备和方法
技术领域
本发明涉及照明设备领域，特别涉及用于控制一个或多个数字控制的光源的发光量的方法和设备。
背景技术
在研发和改进固态发光二极管和有机发光二极管等发光二极管(LED)的光通量方面的发展已经使这些设备适合用于一般的照明应用中，例如包括建筑物、娱乐场所和道路照明。因此，发光二极管与诸如白炽灯、荧光灯和高强度放电灯等光源相比变得越来越具有竞争力。
发光二极管具有许多优点，并且由于其耐用、寿命长、效率高、电压要求低并且可以独立控制发出光线的色彩和强度，而一般选择发光二极管。它们比精致的气体放电灯、白炽灯和荧光灯照明系统有所改进。固态发光二极管和改进的有机发光二极管具有产生属于其他照明技术的相同照明效果的能力，并且可以极大地克服与之相关的缺点。
与传统白炽灯光源不同，LED发出光线的强度和色彩可以被独立地控制。如果，例如影响设备发出光线的光谱分布的芯模温度等参数保持恒定，那么全部发出光线就可以被控制而基本上不改变色彩效果。仅当经过器件的电流超过某一阈值时LED才发出光线，并且电流可以从此稳定增加到特定的最大值。因此，控制稳定持续的光线输出就需要精确控制流经LED的直流电流。然而，某些应用仅需要控制随时间变化的平均光输出。因此，通过利用诸如脉冲宽度调制(PWM)或脉冲编码调制在无光发射与最强光发射之间进行迅速反复切换足以获得所需照明效果。
尽管PWM对于LED的调光(dimming)来说是有用的技术，但是它必须符合许多特殊要求以便产生明显的照明效果从而使人对这种照明效果感觉舒适。对感知上平滑调光的需要，具体说利用平方定律均衡补偿人类视觉系统的非线性亮度反应，一般要求以12-14比特的精度(resolution)来控制光输出，然而标准主流硬件PWM电路仅支持10比特精度。此外，由于强度经过100％的调制，所以PWM频率通常必须高于约300Hz以避免产生光线的可感知的闪烁。另外，因为LED元件可以在不同速率下传输并储热，所以较高的PWM频率会降低由设备热循环引起的应力影响，并且在普通LED封装中，温度波动的有害影响对于超过大约103-104Hz的PWM频率来说可以忽略不计。
很多美国专利已经解决了LED亮度控制的问题，例如美国专利No.3,787,752描述了对发光二极管显示器的强度控制。该发明描述了如何使用一组功率脉冲对LED进行有效控制，这些LED在其照明特性上不适用弱电流，而是适用接近其最佳运行条件的电流。然而，此文献没有描述如何重复并离散地设置LED电流脉冲的占空因数，该占空因数还仅由所应用的显示器限定。
美国专利No.4,090,189公开了用于LED显示器的另一种亮度控制电路。该发明描述了一种在相对较宽范围的亮度水平上控制LED的PWM方法，该方法还将稳定的运行扩展到低亮度区域。该公开内容同样没有描述如何重复并离散地设置LED电流脉冲的占空因数以在所需精度下控制LED的亮度。
美国专利No.6,833,691公开了一种提供数字脉冲宽度调制的系统和方法。该发明描述了用于提供高精度脉冲宽度调制信号的切换电源电路的脉冲宽度调制系统。该系统用来接收包含(m+n)比特二进制字的控制信号，并且用来提供带有预定平均负载周期(duty cycle)的脉冲宽度调制信号，其中该信号的精度基本上为2(m+n)。这种脉冲宽度调制系统包括用于提供2m个计时信号的计时电路、高频振荡电路和信号生成器。经过接收控制信号，该高频振荡电路用来提供更改的控制信号，其中这种更改的控制信号包含一组达到2n个m比特的二进制字。该信号生成器用来接收计时信号和更改的控制信号，并且用来提供具有负载周期的脉冲宽度调制信号，其中在平均超过2n个计时周期时该负载周期大约等于预定的平均负载周期。切换电源电路使用脉冲宽度调制信号来控制至少一种电源转换设备。具体地说，该发明使用了具有加法器、延迟器、多路复用器、存储器和寄存器模块的复杂信号生成电路。另外，在其优选实施例中，当假设(m+n)比特的字的最大值为2m+n-1时，以人工方式将(m+n)比特的控制字映射到m比特的PWM占空因数的时序上。
因此，需要一种改进并简化的数字控制的光源使用的控制设备和方法，这种设备和方法既可以抑制噪音信号也可以有效提高控制数字控制的光源的精度水平。
以上提供的这些背景信息披露了本申请人所认为的可能与本发明具有关联性的信息。既不意图承认也不应当被认为，前述任何信息构成了针对本发明的现有技术。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种数字控制的光源使用的控制设备和方法。根据本发明的一个方面，它提供了一种用于控制发光装置的设备，所述发光装置包括一种或多种颜色的一个或多个发光元件，所述一个或多个发光元件中的每一个发光元件被通以电流以产生光，所述设备包括：利用脉冲宽度调制或脉冲编码调制对通给所述一个或多个发光元件的电流进行调节的装置，所述脉冲宽度调制和脉冲编码调制中的每一种调制都具有脉冲周期；以及对所述每个脉冲周期的脉冲宽度进行调制、用以增加所述一个或多个发光元件的控制精度的装置。
根据本发明的另一个方面，它提供了一种扩展的脉冲宽度调制方法，所述方法用于在整个2M个脉冲周期上将(N+M)比特的信号转换成N比特宽度的2M个字的流(steam)，所述方法包括以下步骤：接收(N+M)比特的信号；将所述(N+M)比特的信号分解为N比特部分和M比特部分；将所述N比特部分翻译成二进制编码数字n；将所述M比特部分翻译成二进制编码数字m；将(n+1)编译成N比特的二进制字的形式，并在m个脉冲周期上将所述字送入所述流；以及在(2M-m)个脉冲周期上将n编译成N比特的二进制字的形式，并将所述字送入所述流；由此，在整个2M个脉冲周期上形成N比特宽度的2M个字的流。
根据本发明的再一个方面，它提供了一种扩展的脉冲宽度调制设备，所述设备用于在整个2M个脉冲周期上将(N+M)比特的信号转换成N比特宽度的2M个字的流(steam)，所述设备包括：用于接收(N+M)比特信号的装置；用于将所述(N+M)比特的信号分解为N比特部分和M比特部分的装置；用于将所述N比特部分翻译成二进制编码数字n的装置；用于将所述M比特部分翻译成二进制编码数字m的装置；用于将(n+1)编译成N比特的二进制字的形式并在m个脉冲周期上将所述字送入所述流的装置；以及用于在(2M-m)个脉冲周期上将n编译成N比特的二进制字的形式并将所述字送入所述流的装置；由此，在整个2M个脉冲周期上形成N比特宽度的2M个字的流。
附图说明
图1显示了时间频率与人类视觉系统的对比灵敏度之间的关系。
图2显示了本发明一个实施例的用于单通道或多通道照明器具的控制设备的方块图。
图3显示了可以使用本发明控制设备控制的发光装置的方块图。
图4显示了可以使用本发明控制设备控制的另一个发光装置的方块图。
图5显示了本发明一个实施例的示意性电路图。
图6显示了本发明另一个实施例的示意性电路图。
图7显示了本发明另一个实施例的示意性电路图。
图8显示了本发明一个实施例的用于通过PWM对光源进行控制的微控制器主程序的流程图。
图9显示了图8所示主程序的一个子程序的流程图。
图10显示了图8所示主程序的另一个子程序的流程图。
图11显示了本发明一个实施例的用于通过PCM对光源进行控制的另一个微控制器主程序的流程图。
图12显示了图11所示主程序的一个子程序的流程图。
图13显示了图11所示主程序的另一个子程序的流程图。
具体实施方式
定义
使用术语“光源”定义能够发出任何区域或者结合电磁波谱区域射线的一个或多个设备，其中可以数字控制的光源的激活与去激活。例如，光源可以包括一个或多个发光元件。光源也可以由许多发射一种或多种不同颜色光线的发光元件构成，例如光源可以是红色、绿色和蓝色发光元件的集合。
使用术语“发光元件”定义在利用通过设备的电位差或者通过设备的电流激活时，发出任何区域或者结合电磁波谱区域射线(例如，可见、红外或紫外区域)的任何设备。发光元件的例子包括基于半导体无机和有机材料、聚合物、涂磷或高通量的发光二极管(LED)，或者容易理解的其他类似设备。
这里使用的术语“大约”是指与正常值偏差+/-10％。应当理解，这种偏差始终包含在这里提供的任何给定值中，无论是否具体指出。
除非另有定义，这里使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员共同理解的相同意义。
本发明提供一种方法和设备，这种方法和设备可以在2M个脉冲周期上调制脉冲宽度，其中每个脉冲周期可以具有其自身的脉冲宽度或相应的负载周期(duty cycle)。因而，可以以2N+M个状态的精度来控制由此产生的时间平均或有效的脉冲宽度，而不是普通标准方法的2N个状态的精度。通过提供额外的精度，具有由本发明控制设备控制的发光元件的发光装置因而可以产生可感知到的对所发出的光线的平滑调光。
例如，N比特脉冲宽度控制器需要N比特控制字，该控制字为所需脉冲宽度或相应负载周期提供测量值。脉冲宽度通常线性地编译成控制字，这样当编译成控制字的数字增加1时，脉冲宽度基本上扩大时间常量，而与控制字的绝对值无关。因而可以以N比特精度控制N比特脉冲宽度控制器在每一脉冲周期中的脉冲宽度。例如，具有(N+M)比特控制字的控制信号可以用来控制如何调制脉冲周期时序中的脉冲宽度。在一个实施例中，这种调制可以通过例如以下方式实现：可以利用N比特的二进制字n和M比特的二进制字m产生m个脉冲宽度n+1的脉冲周期和(2M-m)个脉冲宽度n的脉冲周期。然而，在本实施例中，处理n＝2N-1可以是本程序的例外，因为n＝2N-1增加1不再由标准二进制编码方案的N比特的二进制数表示。例如，只有n＝2N-1可以产生常数n的2M个N比特的二进制字的流(steam)。否则，就要求在没有例外n＝2N-1的情况下，在脉冲周期时序期间调制脉冲宽度可以产生m个具有最小占空因数的脉冲周期以及之后的(2M-m)个具有最大占空因数的脉冲周期，其结果是，有效的时间平均的脉冲宽度可以在由数字m决定的最大值与最小值之间很大程度地变化。因此，每2M个上述脉冲周期期间的平均脉冲宽度等于有效的时间平均的脉冲宽度，即n+m/2M，因而这种方法可以以(N+M)比特的精度来控制有效脉冲宽度。
本发明的一个特别的优点是，m个脉冲周期与(2M-m)个脉冲周期之间的脉冲宽度调制占空因数之差为1/N。如在IESNA Lighting Handbook，Ninth Edition，pp.3-21～3-22中说明的那样，光源或发光表面的视觉闪烁的感知既取决于时间频率也取决于对比度(contrast)。尽管以100％调制的调制脉冲宽度的光源的对比度值为0.01，但是扩展调制脉冲宽度的光源具有(100/2N)％调制和(2N/100)的对比度。因此，根据图1(符合IESNALighting Handbook，Ninth Edition，图3-34)，具有例如50Hz的PWM频率的光源将显示视觉闪烁，但是，由于对比度值为0.16，具有800Hz的扩展PWM频率并且N＝4的相同光源将不显示视觉闪烁。
在一个替换实施例中，例如，控制有效脉冲宽度可以包括：首先为(2M-m)个脉冲提供n，随后为m个脉冲提供n+1，或者任选地调制每个脉冲周期的脉冲宽度减1。然而在这些情况中，n＝0是正常程序的例外。此外，控制有效脉冲宽度可以包括使每个脉冲周期的脉冲宽度的变化大于1，或者控制有效脉冲宽度可以包括随机改变连续脉冲周期中的脉冲宽度。
本发明的方法和设备可以选择脉冲周期频率(pulse cycle frequency)作为独立参数，同时调制上述脉冲宽度。可以选择脉冲周期频率，使得连接的发光元件(例如LED)可以在不计热应力条件下有效运行，和/或可以选择足够高的调制频率，从而有助于减少可感知的发光闪烁。在本发明一个实施例中，选择脉冲周期频率大于或等于约20kHz。在另一个实施例中，选择脉冲周期频率约30kHz。
图2显示了本发明一个实施例的方块图，该实施例用于单通道或多通道照明器具。接口控制器370提供了用于转发信号的功能，所转发的信号包含具有数字n和数字m的(N+M)比特的二进制信号，其中数字n由最高有效的N比特表示，数字m由该(N+M)比特二进制信号的最低有效的M比特表示。接口控制器370控制扩展脉冲宽度调制器372，其中这种扩展脉冲宽度调制器产生包含N比特脉冲宽度调制信号的信号，并且将其转发到N比特单通道或多通道脉冲宽度调制控制器30。时钟373将具有预定频率的同步信号提供给扩展脉冲宽度调制器372，其中时钟373可以是扩展脉冲宽度调制器372的独立部分或集成部分。在这种方式中，脉冲宽度调制器可以为单通道或多通道脉冲宽度调制控制器374处理或生成附属的或多种独立的信号，其中这种单通道或多通道脉冲宽度调制控制器可以以2N+M比特的有效精度控制多通道发光元件，比如LED。
单通道或多通道脉冲宽度调制控制器374可以连接至单色或多色发光元件发光装置376，其中，多色发光装置例如可以包括发射一种或多种选自红色、绿色、蓝色、琥珀色和白色范围的光线的发光元件。与发光装置关联的发光元件可以根据其进入多色通道的所需色彩效果进行分类，其中每一色彩通道可以具有其自身的单通道脉冲宽度调制控制器，或者可以操作性地连接至多通道脉冲宽度调制控制器中的一条预定通道。单通道或多通道脉冲宽度调制控制器可以连接至单色或多色通道发光装置，例如，该发光装置可以具有红色、绿色、蓝色、琥珀色或任何其他颜色的或以其他方式分类的发光元件的组合。
图3的方块图显示了可使用本发明方法和设备控制的发光装置。发光装置100包括许多元件，这些元件包括电源110、能量转换器120、控制器140和光源130。每一个元件都包括接收输入信号的输入端，和提供输出信号的输出端，然而图3仅显示出了这些元件的一些选定的输入端和输出端。在运行条件下，电源110在其输入端需要某种形式的电能，并在其输出端提供形式为P的电能。电源110的输出端连接至能量转换器120的输入端，其中能量转换器120将其输入端上提供的电能P转换成能量转换器120提供至其输出端的驱动电流I1。这种驱动电流Ii供应至光源130以使其运行。控制器140操作性地与能量转换器120连接，其中控制器140向能量转换器120提供驱动电流控制信号Is。控制器140包括本发明的控制设备或者适合与其连接，因此能够使控制器140以2N+M个状态的精度水平控制能量转换器120。此外，例如控制器140可以对其(任选的)接口输入或其他输入装置提供的信号Id做出响应。例如，Id可以是使用者所需的调光时序。
容易理解，光源130可以包括一个或多个阵列的许多发光元件。例如，这些阵列可以是红色LED、绿色LED和蓝色LED或者容易理解的任何其他颜色，例如白色LED或琥珀色LED。能量转换器120可以包括一个或多个电流驱动器，其中，电流驱动器例如可以用来向所选阵列的发光元件供应驱动电流。
在另一个实施例中，使用本发明方法和设备控制的发光装置还可以包括图4所示的反馈系统。发光装置200包括电源110、能量转换器120、控制器140和光源130。发光装置200还包括传感器系统250和驱动电流传感器系统260的任何组合。
传感器系统250可以感测一个或多个输入参数的任何组合。这些参数可以表示一份或多份由发光装置运行而产生的热量Q或者一份或多份由光源130所发出光线的光谱密度ε(λ)。传感器系统可以处理输入参数，这些输入参数可以表示许多光源元件的温度或者光源所发出光线的量和光谱组成，其中，光源所发出光线的量和光谱组成可以以例如色度和亮度坐标的形式来提供。传感器系统250可以在与控制器140的相应反馈输入端操作性地连接的一个或多个输出端提供g(Q)或h(ε(λ))的任何组合。
驱动电流传感器系统260也可以是发光装置200反馈系统的一部分。驱动电流传感器系统260可以感测驱动电流Is，并且在其输出端提供电流幅度的的测量值，然后该信号可以传输至控制器140。控制器140可以将Is提供至能量转换器120，该能量转换器计算一个或多个传感的输入信号，包括除了任何输入信号Id以外的热量、色度、亮度和驱动电流。信号Id可以表示例如发射光线的所需驱动电流、所需亮度或者所需色度的测量值的任何组合。控制器包括本发明的控制设备或适合与其连接，因此能够使控制器控制能量转换器120从而以2N+M个状态的精度水平控制光源130。
图5示意性显示了能够实现扩展脉冲宽度调制方法的本发明一个实施例的电子电路301。所述电路包括用于接收11比特并行输入控制信号的11线输入总线310、sync(同步)信号输入线路313、init(初始化)信号输入线路315和用于向可兼容的8比特PWM控制器(图中未示)提供并行输出控制信号的8比特输出总线319。这种电路包括异常处理子电路(exception handling sub-circuit)，该子电路包括8线输入NAND(与非)门320和2线输入AND(与)门325。由此，用于运载最高有效的8比特输入控制信号的11线输入总线中的8条线路连接至8比特加法器330的第一端口331。运载最低有效比特的8比特加法器的第二端口的输入线路333连接至2线输入AND(与)门322的输出325，其中2线输入AND(与)门322的输出325还构成了异常处理子电路的输出。没有显示第二端口的其余7条线路，并且将其设为算数0。根据加法器，这种操作可以通过将这些线路连接到算数高电压或算数低电压完成。用于运载最低有效的3比特输入控制信号的11线输入总线中的3条线路连接至3比特可编程计数器340的3条控制信号输入线路341。3比特可编程计数器还具有连接至图5所示电路的相应线路的clk(时钟)信号输入343和reset(复位)信号输入345，用于在运行条件下接收相应信号。在接收到clk输入351处的sync信号的预定变化之后，除8计数器350增加其计数。在接收到init信号或增加计数超过7时，计数器复位到0。除8计数器的out(输出)信号输出353连接至3比特可编程计数器的reset信号输入345。当除8计数器350复位到0时，在其out信号线路上的输出信号输出通过其复位信号输入使3比特可编程计数器340复位。在探测sync信号的预定状态变化之后，3比特可编程计数器340增加其计数，然后将该计数值与编译成3比特输入控制信号的数字比较。当计数值超过编译数字时，其输出347从逻辑1变为逻辑0，然后所连接的2线输入AND(与)门322的输出将为0。
对于图5所示的实施例，在运行条件下，异常处理子电路防止了扩展脉冲宽度调制电路增加编译成最高有效的8比特输入控制信号的已有最大的二进制数。通过将第二端口的加法器输入信号的最低有效比特设为0来实现这一点，即，当最高有效的8比特表示数字28-1(一般为2N-1)时，将8线输入NAND(与非)门的输出与3比特可编程计数器的输出进行AND(与)合并。
本领域技术人员容易理解，输入控制信号的比特总数、最高有效的比特数和最低有效的比特数可以不同于以上指出的那些。例如，上述电路可与一个10比特的PWM控制器连接，该PWM控制器使用了具有最高有效的10比特的输入控制信号以及实现所需有效PWM精度所必需的最低有效预定比特数。
此外，对本领域技术人员来说，很显然扩展脉冲宽度调制电路还可以包括输入或输出信号缓冲元件，比如锁存器、寄存器和多路复用器。为了在除了并行总线系统以外的其他系统上接收输入信号或提供输出信号，还可以修改所述电路。
在一个实施例中，可以使用增量器(incrementer)代替上述电路中的8比特加法器。增量器可以具有一个控制信号输入端口(例如单个8比特输入端口)，并且经过探测在运行条件下应用在触发信号端口上的触发信号发生的预定状态变化之后，将施加在控制信号输入端口上的信号所表示的数字增加1。
图6示意性显示了能够实现扩展脉冲宽度调制方法的本发明另一个实施例的电子电路300，其中去除了图5所示的除8计数器。本实施例使用了较少的元件，并且，例如如果当3比特计数器复位为0时始终同步发生输入控制信号的状态突然变化，或者如果异步发生输入控制信号的状态变化，并且不需要3比特可编程计数器390瞬时复位的操作，那么可以使用本实施例。考虑到用于普通照明用途的优选脉冲周期持续时间或频率，因为输入控制信号的状态变化通常发生在8个脉冲周期(一般为2M个脉冲周期)的倍数而不是分数的时间尺度上，所以一般不需要对异步状态变化进行任何异常处理。由于8个脉冲周期(一般为2M个脉冲周期)开始以外的输入控制信号的状态变化，所以电路300可以产生平均脉冲宽度占空因数，其中所述平均脉冲宽度占空因数与编译成11比特(一般为(N+M)比特)输入控制信号的指定占空因数之间的偏差不超过输入控制信号的单个最低有效比特变化的当量。
图7示意性显示了能够实现扩展脉冲宽度调制方法的电子电路400的另一个实施例，其中去除了图5所示的异常处理子电路。在本实施例中，当最高有效的8比特(一般为最高有效的N比特)全部设为逻辑高电平时，8比特加法器或增量器“溢出”，即，将其输出信号复位为0。根据编译成最低有效的3比特(一般为最低有效的M比特)输入控制信号的数字m，所述电路在m个同步信号(脉冲周期)的预定变化期间将所有输出信号设为逻辑0，并且在随后的8-m个脉冲周期(一般为(2M-m)个脉冲周期)期间将输出信号设为逻辑1，假设在全部8个脉冲周期(一般为2M个脉冲周期)期间所述输入控制信号不变。例如，当不需要消除这种溢出情况时，或者当最高有效的8比特(一般为最高有效的N比特)输入控制信号从未同时表现为其逻辑高电平(算数1)值时，可以使用如图7所示的电路。
在另一个实施例中，可以在如图8-图10所示的固件中执行这种扩展PWM控制器，例如用于Philips LPC2132微控制器。
图8显示了本发明一个实施例的微控制器的main PWM函数500。该函数指定函数PWM TimerISR为PWM周期性计时器中断服务程序，初始化静态变量offset为0，分配两块命名为DataBank0和DataBank1的随机存取存储器，其中每一块都包括M比特的N个字，并且将DataBank0标记为激活状态。然后，该函数进入连续循环，其中查询外部设备(比如远程接口)以获得PWM数据。可选择的是，数据也可以在main_PWM程序500中生成。当获得包含N+M比特字的PWM数据时，main_PWM程序调用UpdatePWMData函数。
图9显示了本发明一个实施例的UpdatePWMData函数600，其中该函数首先确定哪个数据库是激活的(active)，然后选择非激活的(inactive)数据库并向其写入任何随后的数据。在进行N次循环之前，将循环计数器i设为0，再将msb设为N+M信号的最高有效的N比特，将lsb设为N+M信号的最低有效的M比特，其中在每一循环中，如果i小于lsb，则将被选数据库的第i个存储器单元设为msb+1，否则将第i个存储器单元设为msb。完成之后，在返回调用函数main_PWM之前，将激活的数据库标记为非激活，而将非激活的数据库标记为激活。
图10显示了本发明一个实施例的PWM周期性计时器中断服务程序PWM_TimerISR 700，其中该程序首先确定哪个数据库是激活的，然后选择该激活的数据库并从中读取数据。然后读取激活数据库的第offset个码元，将PWM周期计时器硬件寄存器设为该值，并且增加静态变量offset。如果offset等于N，则将其复位为0。然后清除计时器中断标签，并退出中断函数PWM_TimerISR。
在一个实施例中，本发明可以应用于脉冲编码调制(PCM)而不是PWM。具体参见图2，PWM控制器374可以被PCM控制器取代。可以利用固件控制的通用微控制器(例如，Philips LPC2132微控制器)来执行基于PCM的实施例。图11-图13举例显示了这种执行方法。
图11显示了本发明一个实施例的微控制器main_PCM函数800。该函数指定函数PCM_TimerISR为周期性计时器中断服务程序，初始化静态变量Count和Offset为0，Mask为1以及计时器Delay(延时)为T(其中T通常为1微秒)，分配两块命名为DataBank0和DataBank1的随机存取存储器，其中每一块都包括M比特的N个字，并且将DataBank0标记为激活状态。然后，该函数进入连续循环，其中查询外部设备(比如远程接口)以获得PCM数据。可选择的是，数据也可以在main_1函数(图中未示)中生成。当获得包含N+M比特字的PCM数据时，main_1函数调用UpdatePCMData函数。
图12显示了本发明一个实施例的UpdatePCMData路由函数900，其中该路由函数首先确定哪个数据库是激活的，然后选择非激活的数据库并向其写入任何随后的数据。在进行N次循环之前，将循环计数器i设为0，再将msb设为N+M信号的最高有效的N比特，将lsb设为N+M信号的最低有效的M比特，其中在每一循环中，如果i小于lsb，则将被选数据库的第i个存储器单元设为msb+1，否则将第i个存储器单元设为msb。完成之后，在返回调用函数main_1之前，将激活的数据库标记为非激活，而将非激活的数据库标记激活。
图13显示了本发明一个实施例的周期性计时器中断服务程序PCM_TimerISR_1000，其中该程序确定哪个数据库是激活的，然后选择该激活的数据库并从中读取数据。然后读取激活数据库的第offset个码元，并与静态mask变量进行逻辑AND(与)运算以确定码元的第count比特。如果该比特为0，则LED通道停用；否则，LED通道启动。如果count小于M，则增加静态变量count，静态变量mask乘以2以实现二进制比特的逻辑左移，然后表示计时器延迟的静态变量delay乘以2。否则，count复位为0，mask复位为1，delay复位为T，并且增加静态变量offset。当offset等于N时，将其复位为0。最后，清除计时器中断标签，并退出中断函数PCM_TimerISR。
在本发明一个实施例中，脉冲宽度可以按照控制坐标(n，m，N，M)来定义。对于本领域技术人员来说很显然，仅通过运用简单的坐标变换，所有这些脉冲宽度都可以变换成时间域。例如，由指定PWM控制数字n规定其持续时间的脉冲宽度pw的持续时间可以为例如pw＝(2N-1)-1×n×PW，其中PW为脉冲周期的周期。可选择的是，这种变换也可以由2-N×(n×PW)定义；具体的选择仅是为n选择0原点的问题。
在本发明一个实施例中，可以在具有一个或多个输出通道的设备或系统中执行这种控制方法，从而同时或者以时间分隔多通道传输的方式共同地或分别地控制每一通道。例如，每一通道可以用于驱动发光元件的某种颜色。
现在，将结合具体实施例描述本发明。应当理解，以下实施例的目的是用来描述本发明的实施例，而不是意图以任何方式来限制本发明。
实施例
已经知道，固态发光装置的发光元件(例如LED)的脉冲宽度调制其PWM频率必须至少大约300Hz，以避免感知到视觉闪烁，PWM占空因数的精度至少12比特，并且PWM频率优选至少大约10kHz以减轻热应力对LED芯模的有害影响。以下实施例说明了运用本发明进行固态发光装置的控制和操作。容易理解的是，例如多个涂磷的白光LED可以由一个控制器控制，而例如多个红色、绿色、蓝色以及任选的琥珀色LED，或白色、绿色、蓝色LED可以由多个控制器控制，优选的是，对于每一种LED颜色都由一个控制器控制。
实施例1：具有扩展脉冲编码调制控制的固态发光装置
根据本发明一个实施例，固态照明发光装置可以按照图4配置，其中利用图11-图13所示的扩展脉冲编码调制方法在控制器140(例如商品化的微控制器)的固件中执行上述扩展脉冲编码调制。利用采集到的反映色度、光通量、LED温度和驱动电流中的一个或多个的数据，在控制器上执行一次或多次校正，由此实现对固态发光装置的反馈控制。
实施例2：具有扩展脉冲宽度调制控制的固态发光装置
根据本发明一个实施例，固态照明发光装置可以按照图4配置，其中可以利用图8-图10所示的扩展脉冲宽度调制方法在控制器140(例如商品化微控制器)的固件中执行上述扩展脉冲宽度调制。控制器可以包括一个或多个集成的10比特模拟-数字转换模块，其中也可以执行其他功能，例如传感器监视和反馈控制。
实施例3：具有扩展脉冲编码调制控制的固态发光装置
参见图4，可以利用图11-图13中所披露的扩展脉冲宽度调制，在控制器140中执行本文公开的扩展脉冲宽度调制方法，其中利用例如优选带有微控制器内核的现场可编程门阵列(FPGA)在固件中执行所述扩展脉冲宽度调制。在发光装置内可以执行其他功能，包括例如传感器监视和反馈控制。
显然，本发明前述实施例是示例性的并且可以按照许多方式变化。这些现在或将来的变化将不被认为是脱离了本发明的精神和范围，并且所有这些对本领域技术人员来说显而易见的修改都将包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种用于控制发光装置的设备，所述发光装置包括一种或多种颜色的一个或多个发光元件，所述一个或多个发光元件中的每一个发光元件被通以电流以产生光，所述设备包括：
a)利用脉冲宽度调制或脉冲编码调制对通给所述一个或多个发光元件的电流进行调节的装置，所述脉冲宽度调制和脉冲编码调制中的每一种调制都具有脉冲周期；以及
b)对所述每个脉冲周期的脉冲宽度进行调制、用以增加所述一个或多个发光元件的控制精度的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述脉冲宽度调制装置包括与控制器操作性地连接的N比特加法器，所述N比特加法器为所述控制器提供控制信号以控制通给所述一个或多个发光元件的电流，所述脉冲宽度调制装置还包括与所述N比特加法器连接的M比特可编程计数器，从而所述脉冲宽度调制装置能够提供2N+M个状态的控制精度。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述调制脉冲宽度的装置包括与控制器操作性地连接的增量器，所述增量器为所述控制器提供控制信号以控制通给所述一个或多个发光元件的电流，所述脉冲宽度调制装置还包括与所述N比特加法器连接的M比特可编程计数器。
4.如权利要求2所述的设备，其中，所述脉冲宽度调制装置还包括与所述M比特可编程计数器和N比特加法器操作性地连接的异常处理电路。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述脉冲宽度调制装置还包括与所述M比特可编程计数器操作性地连接的除N计数器，所述除N计数器用于使所述M比特可编程计数器复位。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备在大于或等于约20kHz的周期频率下运行。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述设备在约30kHz的周期频率下运行。
8.一种扩展的脉冲宽度调制方法，所述方法用于在整个2M个脉冲周期上将(N+M)比特的信号转换成N比特宽度的2M个字的流，所述方法包括以下步骤：
a)接收(N+M)比特的信号；
b)将所述(N+M)比特的信号分解为N比特部分和M比特部分；
c)将所述N比特部分翻译成二进制编码数字n；
d)将所述M比特部分翻译成二进制编码数字m；
e)将(n+1)编译成N比特的二进制字的形式，并在m个脉冲周期上将所述字送入所述流；以及
f)在(2M-m)个脉冲周期上将n编译成N比特的二进制字的形式，并将所述字送入所述流；
由此，在整个2M个脉冲周期上形成N比特宽度的2M个字的流。
9.一种扩展的脉冲宽度调制设备，所述设备用于在整个2M个脉冲周期上将(N+M)比特的信号转换成N比特宽度的2M个字的流，所述设备包括：
a)用于接收(N+M)比特信号的装置；
b)用于将所述(N+M)比特的信号分解为N比特部分和M比特部分的装置；
c)用于将所述N比特部分翻译成二进制编码数字n的装置；
d)用于将所述M比特部分翻译成二进制编码数字m的装置；
e)用于将(n+1)编译成N比特的二进制字的形式并在m个脉冲周期上将所述字送入所述流的装置；以及
f)用于在(2M-m)个脉冲周期上将n编译成N比特的二进制字的形式并将所述字送入所述流的装置；
由此，在整个2M个脉冲周期上形成N比特宽度的2M个字的流。
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