CN104883797A - 一种大规模led阵列调光控制方法和调光控制系统 - Google Patents

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本发明提供了一种大规模LED阵列调光控制方法，通过电流负反馈独立控制大规模LED阵列上各路LED的驱动电流，通过调节驱动电流以改变各路LED的发光功率；本发明还对应提供了一种大规模LED阵列调光控制系统，至少包括上位机和LED驱动模块，上位机和LED驱动模块之间设有上位机通讯模块、主微控制器和2个以上从微控制器，上位机、上位机通讯模块、主微控制器和从微控制器依次电连接；LED驱动模块与大规模LED阵列中LED的数量相同，其两端分别并且连接LED与从微控制器的输出端，LED与从微控制器的输入端之间连接有LED电流检测模块；本发明可对大规模LED阵列中各路LED进行独立精密调光和负反馈控制。

Description

一种大规模LED阵列调光控制方法和调光控制系统
技术领域
本发明涉及一种LED驱动电源技术，具体地说是一种大规模LED阵列调光控制方法和控制系统。
背景技术
发光二极管(LED)作为一种新型固态显示与照明光源，已被广泛的应用于大规模LED点阵显示屏、各种照明领域。此外，单色LED所发光谱为窄带光谱且不同峰值波长的产品非常丰富，因此利用光谱的叠加原理，不同峰值波长的单色LED组成LED阵列，通过调节各路LED的驱动电流以改变其发光功率，理论上在LED发光波长覆盖范围内可以得到任意需要的相对光谱功率分布，即可以制作光谱任意可调的人造光源。
目前，对于超大规模的LED阵列，驱动高分辨率的LED点阵显示屏的驱动技术，虽然可以控制点阵内各路LED的通断，但是无法精确控制LED的亮度，对LED点阵显示屏无法实现精细控制的功能，显示屏无法显示各像素上的亮度细节。对于多颗LED组成的人造光源，为满足合成光谱与目标光谱的高匹配度的要求，对各路LED的电流控制精度亦提出了较高的要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术所存在的无法对多颗LED独立进行精密调光及调光效果差的不足，而提供一种可以对大规模LED阵列中各路LED进行独立精密调光并且反馈控制的方法和系统。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种大规模LED阵列调光控制方法，包括如下步骤：
(1)设定各路LED的恒定驱动电流幅值，将各路LED的恒定驱动电流幅值转化为占空比与恒定驱动电流幅值呈比例的PWM脉冲电压信号；
(2)对PWM脉冲电压信号进行整形、滤波和V/I转换，转换为设定的恒定驱动电流驱动LED发光；
(3)采集各发光的LED的实际驱动电流并将其转化为与实际驱动电流成比例的电压信号，对电压信号进行A/D转换，随后根据转换后的电压信号计算各路LED的实际驱动电流值，比较各路LED的实际驱动电流值与各路LED设定的恒定驱动电流幅值的差别，并根据差别对LED的实际驱动电流进行负反馈调节，调节至各路LED的实际驱动电流与恒定驱动电流趋于一致。
步骤(2)中PWM脉冲电压信号通过脉冲整形电路整形为矩形脉冲波形，随后对整形后PWM脉冲电压信号进行二阶RC低通滤波转化为直流电压信号，直流电压信号经过运放和三极管构成的V/I转换电路转换为设定的恒定驱动电流驱动LED发光。
本发明还对应提供了一种用于上述方法的调光控制系统，至少包括上位机和由上位机控制并且驱动LED发光的LED驱动模块，上位机和LED驱动模块之间设有上位机通讯模块、主微控制器和2个以上从微控制器，上位机、上位机通讯模块和主微控制器通过串口线依次电连接，各从微控制器分别与主微控制器中对应的接口电连接；所述LED驱动模块与大规模LED阵列中LED的数量相同，各LED驱动模块上均连接有LED电流检测模块，LED电流检测模块连接LED与从微控制器的输入端，LED驱动模块连接LED与从微控制器的输出端。
主微控制器的输出端连接有显示模块。
主微控制器与从微控制器之间通过I2C总线方式进行通信。
所述LED驱动模块包括相互串联的脉冲整形电路、二阶RC低通滤波电路以及由运放和三极管构成的V/I转换电路。
由上述技术方案可知，本发明提供的大规模LED阵列调光控制方法，以用户设定的各路LED的恒定驱动电流幅值为基准，通过电流负反馈控制大规模LED阵列上各路LED的驱动电流，使其与基准趋于一致；对大规模LED阵列上各路LED进行独立控制，通过调节驱动电流以改变各路LED的发光功率，可得到任意需要的相对光谱功率分布；将各路LED的恒定驱动电流幅值转化为不同占空比的PWM脉冲电压信号，由于输出的脉冲波形存在波形畸变或者边沿振荡等缺陷，通过脉冲整形电路整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形，不同占空比的脉冲电压信号经过二阶RC低通滤波转化为直流电压信号，高占空比的脉冲电压信号经过转换后其直流电压幅值高，反之，低占空比的脉冲电压信号经过转换后其直流电压幅值高，对脉冲电压信号进行简单的V/I转换即可得到不同幅值的驱动电流；LED发光驱动信号的传输以及电流负反馈过程中均采用电压信号传输命令，各控制器易于接收电压信号，但接收电流信号时需要引入特殊电流输入/输出模块，由于特殊电流输入/输出模块内部结构复杂并且价格昂贵，因此采用电压信号传输命令可实现对LED驱动电流的低成本、高精度控制。
本发明提供的大规模LED阵列调光控制系统，在上位机和大规模LED阵列之间设置由主微控制器和2个以上从微控制器构成的二级调光控制单元，主微控制器控制各从微控制器，一个从微控制器并行控制多个LED驱动模块，通过与大规模LED阵列中LED的数量相同的LED驱动模块实现各路LED的独立驱动控制，可以单独驱动大规模LED阵列上各路LED发光，从微控制器与LED之间通过LED电流检测模块实现LED的实际驱动电流的反馈，即实现大规模LED阵列上各路LED精确的电流负反馈控制，从而进行各路LED的线性恒流调光。
主微控制器与从微控制器之间通过I2C总线方式进行通信，主/从微控制器中任意一个普通I/O端口均可以作为I2C总线的接口，大大提高了主/从微控制器I/O端口的利用率；由于I2C总线只需要2个I/O口，所以一个主微控制器可以拓展控制众多的从微控制器，即可以单独精确控制大规模LED阵列上各路LED的驱动电流。
主微控制器的输出端连接有显示模块，显示模块实时显示各路LED的实际驱动电流值与恒定驱动电流值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种便携的对大规模LED阵列上各路LED进行独立精密恒流调光的系统和方法，有利于对集中式LED阵列产品或者集散式LED中各路LED实现精密的调光控制，可普及LED点阵显示器应用。
(2)本发明可以控制LED阵列中不同峰值波长的单色LED的驱动电流幅值，因此利用光谱的叠加原理，可应用于合成任意目标光谱。
附图说明
图1为本发明提供的大规模LED阵列调光控制系统的结构示意图。
图2是LED驱动模块的电路图。
其中，1-计算机，2-显示模块，3-上位机通信模块，4-主微控制器，5-从微控制器、6-LED驱动模块，7-LED电流检测模块，8-LED，9-二阶RC低通滤波电路，10-V/I转换电路，11-脉冲整形电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
本发明提供的大规模LED阵列调光控制方法，包括如下步骤：
(1)设定各路LED的恒定驱动电流幅值，将各路LED的恒定驱动电流幅值转化为占空比与恒定驱动电流幅值呈比例的PWM脉冲电压信号；
(2)将PWM脉冲电压信号通过脉冲整形电路整形为矩形脉冲波形，随后对整形后PWM脉冲电压信号进行二阶RC低通滤波转化为直流电压信号，直流电压信号经过运放和三极管构成的V/I转换电路转换为设定的恒定驱动电流驱动LED发光；
(3)采集各发光的LED的实际驱动电流并将其转化为与实际驱动电流成比例的电压信号，对电压信号进行A/D转换，随后根据转换后的电压信号计算各路LED的实际驱动电流值，比较各路LED的实际驱动电流值与各路LED设定的恒定驱动电流幅值的差别，并根据差别对LED的实际驱动电流进行负反馈调节，调节至各路LED的实际驱动电流与恒定驱动电流趋于一致。
本发明提供的大规模LED阵列调光控制系统，其结构如图1所示，包括上位机1、显示模块2、上位机通讯模块3、主微控制器4、2个以上从微控制器5、LED驱动模块6和LED电流检测模块7，其中上位机、上位机通讯模块和主微控制器通过串口线依次电连接，显示模块与主微控制器的输出端电连接，各从微控制器分别与主微控制器中对应的接口电连接，主微控制器与从微控制器之间通过I2C总线方式进行通信，为节省成本，采用虚拟I2C总线(即通过软件编程的方式实现)，LED驱动模块和LED电流检测模块数量相同并且与大规模LED阵列中各路LED8一一对应，实现各路LED独立控制，其中，LED电流检测模块连接LED与从微控制器的输入端，LED驱动模块连接LED与从微控制器的输出端；所述LED驱动模块包括相互串联的脉冲整形电路11、二阶RC低通滤波电路9以及由运放和三极管构成的V/I转换电路10，LED驱动模块的电路如图2所示。
上述大规模LED阵列调光控制系统用于调光时，具体使用步骤如下：
(1)在上位机中设定各路LED的恒定驱动电流幅值，上位机通过上位机通信模块将电流幅值数据传输到主微控制器中；
(2)主微控制器接收和存储各路LED的恒定驱动电流幅值并将其发送至从微控制器，从微控制器输出占空比与恒定驱动电流幅值呈比例的PWM脉冲电压信号至LED驱动模块；
(3)LED驱动模块对PWM脉冲电压信号进行整形、滤波和V/I转换，PWM脉冲电压信号通过脉冲整形电路整形为矩形脉冲波形，随后经过二阶RC低通滤波电路转化为直流电压信号，直流电压信号经过运放和三极管构成的V/I转换电路转换为设定的恒定驱动电流驱动LED发光；
(4)通过LED电流检测模块采集各发光的LED的实际驱动电流并将其转化为与实际驱动电流成比例的电压信号传输至从微控制器的模拟采样输入接口，从微控制器对电压信号进行A/D转换并且根据转换后的电压信号计算各路LED的实际驱动电流值，从微控制器将实际驱动电流值反馈到主微控制器，主微控制器将实际驱动电流值通过上位机通信模块传输到计算机中，同时主微控制器比较各路LED的实际驱动电流值与各路LED设定的恒定驱动电流幅值的差别，重新发送命令至从微控制器对从微控制器的输出电流进行负反馈调节，调节至各路LED的实际驱动电流与恒定驱动电流趋于一致。

Claims (6)

1.一种大规模LED阵列调光控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设定各路LED的恒定驱动电流幅值，将各路LED的恒定驱动电流幅值转化为占空比与恒定驱动电流幅值呈比例的PWM脉冲电压信号；
(2)对PWM脉冲电压信号进行整形、滤波和V/I转换，转换为设定的恒定驱动电流驱动LED发光；
(3)采集各发光的LED的实际驱动电流并将其转化为与实际驱动电流成比例的电压信号，对电压信号进行A/D转换，随后根据转换后的电压信号计算各路LED的实际驱动电流值，比较各路LED的实际驱动电流值与各路LED设定的恒定驱动电流幅值的差别，并根据差别对LED的实际驱动电流进行负反馈调节，调节至各路LED的实际驱动电流与恒定驱动电流趋于一致。
2.根据权利要求1所述的大规模LED阵列调光控制方法，其特征在于：步骤(2)中PWM脉冲电压信号通过脉冲整形电路整形为矩形脉冲波形，随后对整形后PWM脉冲电压信号进行二阶RC低通滤波转化为直流电压信号，直流电压信号经过运放和三极管构成的V/I转换电路转换为设定的恒定驱动电流驱动LED发光。
3.一种用于权利要求1所述大规模LED阵列调光控制方法的调光控制系统，至少包括上位机和由上位机控制并且驱动LED发光的LED驱动模块，其特征在于：上位机和LED驱动模块之间设有上位机通讯模块、主微控制器和2个以上从微控制器，上位机、上位机通讯模块和主微控制器通过串口线依次电连接，各从微控制器分别与主微控制器中对应的接口电连接；所述LED驱动模块与大规模LED阵列中LED的数量相同，各LED驱动模块上均连接有LED电流检测模块，LED电流检测模块连接LED与从微控制器的输入端，LED驱动模块连接LED与从微控制器的输出端。
4.根据权利要求3所述的调光控制系统，其特征在于：主微控制器的输出端连接有显示模块。
5.根据权利要求3所述的调光控制系统，其特征在于：主微控制器与从微控制器之间通过I2C总线方式进行通信。
6.根据权利要求3所述的调光控制系统，其特征在于：所述LED驱动模块包括相互串联的脉冲整形电路、二阶RC低通滤波电路以及由运放和三极管构成的V/I转换电路。
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