CN106793262A - 离散型pwm、多通道pwm的控制方法和led系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了离散型PWM的控制方法，将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换得到新的计数值M’；输出占空比为N/T的脉冲波形；当M’<N时，输出脉冲波形为高电平；当M’≥N时，输出脉冲波形为低电平。本发明还提供了多通道离散型PWM的控制方法，将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换得到新的计数值M’；将计数器的计数周期T分为至少两个区间，每个区间对应一个通道；当计数值M’位于第一区间时，第一通道输出高电平，当计数值M’位于第一区间以外时，第一通道输出低电平；当计数值M’位于第二区间时，第二通道输出高电平，当计数值M’位于第二区间以外时，第二通道输出低电平；以此类推。

Description

离散型PWM、多通道PWM的控制方法和LED系统

技术领域

本发明涉及一种脉冲宽度调制的控制方法以及应用该方法的LED系统。

背景技术

PWM就是脉冲宽度调制，也就是占空比可变的脉冲波形，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

举例来说，在LED控制中，需要调节LED发光的亮度。如果通过电流来调节亮度，则太过复杂。为了节约成本，对于屏幕亮度的调节，行业里会采用PWM技术。PWM是通过调节占空比来达到调制目的的。波形的频率本身并不参与占空比的调节，但是频率的高低会产生一些重要的影响，比如：

1)电机控制中，频率太低会导致运动不稳定，如果频率刚好在人耳听觉范围，有时还会听到呼啸声。

2)对于需要进行直流滤波的场合，频率越高，滤波的效果就越好。

3)在LED控制中，若频率太低，闪烁会比较明显，容易引起人眼疲劳。通常闪烁频率大于100Hz，人眼就不会感到闪烁。

但是，频率高也有一定代价。以单片机产生的PWM来举例，在同样的占空比情况下，频率越高需要系统频率越高，功耗也越大。对于一些低端的单片机来说，由于系统频率和位数是确定的，可能根本无法产生高频率的PWM波形。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种PWM的控制方法，使用一个计数器实现离散型的PWM波形输出。

本发明所要解决的另一主要技术问题是提供一种PWM的控制方法，使用一个计数器实现多通道的离散型的PWM波形输出。

本发明所要解决的另一主要技术问题是提供LED系统，应用上述的PWM控制系统。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种离散型PWM的控制方法：将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换得到新的计数值M’；

输出占空比为N/T的脉冲波形时，其中T为计数器的计数周期；当M’<N时，输出脉冲波形为高电平；当M’≥N时，输出波形为低电平。

在一较佳实施例中：所述将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换具体是指：将计数值M的比特最低位与比特最高位进行调换，比特次高位与比特次低位进行调换，以此类推。

在一较佳实施例中：若使用者要求的周期T’<T，则将变换后的计数值M’中≥T’部分所对应的计数值跳过。

本发明还提供了一种多通道离散型PWM的控制方法：将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换得到新的计数值M’；

将计数器的计数周期分为至少两个区间，每个区间对应一个通道，每个区间所占计数周期T的比例即为对应通道输出PWM波形的占空比；当计数值M’位于第一区间时，第一通道输出高电平，当计数值M’位于第一区间以外时，第一通道输出低电平；当计数值M’位于第二区间时，第二通道输出高电平，当计数值M’位于第二区间以外时，第二通道输出低电平；以此类推。

在一较佳实施例中：当所述各通道输出脉冲波形的占空比之和>100％时，划分的区间之间有重合；当所述各通道输出脉冲波形的占空比之和＝100％时，划分的区间之间没有重合，且各通道输出脉冲波形互补，即任一时刻，有且仅有一个通道输出高电平；当所述各通道输出脉冲波形的占空比之和<100％时，划分的区间之间没有重合，且有区间未被使用，该情况下，任一时刻，最多有一个通道输出高电平。

在一较佳实施例中：当将一个空的区间对应一个通道时，该通道的输出保持为低电平；对应的输出脉冲波形的占空比为0％。

本发明还提供了一种采用权利要求4所述的多通道PWM的控制方法的LED系统，所述区间为3个，LED光源按照发光颜色分为红绿蓝三组，每一个通道对应一组LED光源；

当调整三个通道输出的脉冲波形其占空比之和，则可以调整LED系统的出光亮度；

在保持三个通道输出的脉冲波形其占空比之和不变的情况下，改变每一个通道输出的脉冲波形占空比，则可以改变LED系统出光中红绿蓝三色所占比例，从而改变LED系统的出光色温。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1.本发明提供的离散型PWM控制方法，对于比较低端的单片机，用传统方式PWM可能无法同时满足调节精度和频率的要求；使用该离散型PWM控制方法，则可以大幅提升对这类要求的满足范围。

2.本发明提供的离散型PWM控制方法，对于高端的单片机或者MCU等，在给定的调节精度和频率要求下，该离散型PWM控制方法可以用更低的系统时钟。若除PWM控制之外的其它功能也允许使用更低系统频率，则可以降低系统整体频率，从而降低动态功耗，降低能耗。

3.本发明提供的多通道PWM控制方法，仅需一个计数器就可以实现。并且实现成本和方法都比较简单。

4.本发明提供的一种利用多通道PWM控制方法的LED系统，三个通道的光交替频繁，每个通道的光分布又是相对均匀的，所以混色效果好。并且当占空比之和≤100％时，三个通道不会同时工作，所以不会造成驱动电源过载影响电源稳定性，电源驱动电路可以简化。

附图说明

图1为传统PWM控制方法示意图；

图2为本发明优选实施例中离散型PWM的控制示意图；

图3为本发明优选实施例中计数值省略关系示意图；

图4为本发明优选实施例中多通道PWM控制方法的示意图；

图5为本发明优选实施例中LED系统输出白光时，多通道PWM控制方法的示意图；

图6为本发明优选实施例中LED系统输出黄光时，多通道PWM控制方法的示意图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种离散型PWM的控制方法：将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换得到新的计数值M’；

输出占空比为N/T的脉冲波形时，其中T为计数器的计数周期；当M’<N时，输出脉冲波形为高电平；当M’≥N时，输出脉冲波形为低电平。

所述将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换具体是指：将计数值M的比特最低位与比特最高位进行调换，比特次高位与比特次低位进行调换，以此类推。需要指出的是，调换方式不局限于上述的这一种，这只是最优化的方式而已，不应以此限定本发明的保护范围。例如将比特最高位与比特次低位进行调换一样可以得到离散化的PWM输出波形，只是均匀度不如上述方法而已。

以一个5位的计数器(相应的计数范围为0～31)来举例：

计数器从0计数到31作为一个计数周期T，T＝32，将计数值M的比特高低位置进行对调得到M’。要实现占空比为N/32，则M’<N时，输出波形为高电平；M’≥N时，输出波形为低电平。

图1为传统的PWM控制方式在在N＝8和N＝13时的输出波形；

图2为本实施例的PWM控制方式在在N＝8和N＝13时的输出波形。

从图上可以很明显看出，采用本实施例中的PWM控制方式高电平的总宽度和传统方法是一致的。因此所产生的平均效果也是大致相同的。本实施例的做法相当于把高电平区间以相当均匀的方式离散地分布在一个计数周期中，所以属于一种离散化的PWM技术，具有均匀分布的性质。从上图不难看出，当N为2的幂次方时，N个脉冲在一个计数周期内是均匀分布的。

上述两种方法明显的区别是：本实施例的控制方法输出波形的脉冲频率明显高于传统的PWM控制方法。不难证明，当N<16时，本实施例的控制方法产生的脉冲频率是传统的PWM控制方法产生的脉冲频率的N倍。

以LED灯来举例，传统的PWM做法中，占空比越小(N越小)，闪烁越明显。当占空比低于50％时，用新型PWM控制方法除了N＝1时输出的波形和传统方法一致外，其余的频率都是传统方法的N倍关系，因此能明显减轻闪烁问题。同样，在用本实施例所述的PWM控制方法在控制电机转速时，也会更加平稳。

在同样的时钟频率以及占空比要求下，本实施例所述的PWM控制方法能有效提升脉冲频率。

在同样的脉冲频率要求下，本实施例所述的PWM技术对时钟频率的要求可以比传统PWM技术低一半以上。

本实施例所述的PWM控制方法既可以用硬件实现，也可以用软件方式实现(比如：软件计数+GPIO的方法实现)，实现方式与传统PWM相比在难度和成本上没有明显差异。

根据以上几点，使用该离散型PWM控制方法的意义如下：

对于比较低端的单片机，用传统方式PWM可能无法同时满足调节精度和频率的要求。使用该新型PWM技术，可以大幅提升对这类要求的满足范围。

对于高端的单片机或者MCU等，在给定的调节精度和频率要求下，该新型的PWM技术可以用更低的系统时钟。若除PWM控制之外的其它功能也允许使用更低系统频率，则可以降低系统整体频率，从而降低动态功耗，降低能耗。

该新型PWM技术的局限性：

要求使用者使用的计数周期达到计数器的最大计数周期。若没有达到最大值，则计数值M中缺少了最大的若干个数值。相对应的变换后的M’则缺少了中间的若干个数值。若缺少的数值小于N，会导致高电平持续时间不够。

针对这种现象的解决方法：

在计数周期T中跳过(省略)若干的计数值以满足使用者要求的计数周期T’的长度。以5位计数器来举例，计数器的计数周期T为32。若使用者希望的计数周期T’是25，则计数器需要跳过7个计数值才能与使用者要求的计数周期长度一致。跳过的具体数值为对应变换后的计数值M’中大于或等于25的计数值，如图3所示。

本实施例还提供了一种多通道PWM控制方法，可以仅用一个计数器即可实现多个PWM通道输出，并且这多个通道的PWM的高电平都是相对均匀的离散分布的。还是以5位计数器来举例，假设要实现3个PWM通道输出，第一通道A的占空比是25％，第二通道B的占空比是25％，第三通道C的占空比是50％，可以这样实现:

M’＝[0,7]时，通道A输出高电平；

M’＝[8,15]时，通道B输出高电平；

M’＝[16,31]时，通道C输出高电平；如图4所示。

从上述例子可以我们可以看到，该新型多通道PWM技术具有以下特点：

可以将多个PWM通道用一个计数器来实现。

当多个通道输出的脉冲波形占空比之和>100％时，多个通道所划分的区间之间有重合。

当多个PWM通道输出的脉冲波占空比之和等于100％时，多个通道中脉冲波的高低电平是互补的，即任一时刻有且仅有一个通道的PWM输出是高电平。

当多个PWM通道的占空比之和小于100％时，多个通道所划分的区间之间没有重合，且有部分区间未被使用，该情况下，任一时刻，最多有一个通道输出高电平。

利用上述特征，可以将该多通道PWM控制方法应用在LED系统中：

根据色彩合成的三基色原理，采用红、绿、蓝三组LED灯，利用该多通道PWM控制方法，可以实现LED灯的亮度调节和颜色调节。将LED光源按照出光颜色分为红、绿、蓝3组，采用3个通道，每个通道对应一组LED光源。通过调节3个通道输出脉冲波的占空比之和，可以调节LED系统的出光亮度。

在3个通道输出脉冲波的占空比之和保持不变时，可以通过调节每个通道PWM的占空比，改变LED系统出光中红绿蓝三种颜色的比值，实现调色功能。保持3个通道输出脉冲波的占空比之和100％，当第一通道A、第二通道B、第三通道C输出脉冲波的占空比都为1/3时，LED系统出光色温为白光。如图5所示。

当第一通道A、第二通道B输出的脉冲波的占空比为均为50％、第三通道C输出的脉冲波占空比为0％时，LED系统出光色温为黄光。如图6所示。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。上述实施例并不应视为限制本发明的范围。本领域的技术人员在阅读并理解了前述详细说明的同时，可以进行修改和变化。具体的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种离散型PWM的控制方法，其特征在于：将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换得到新的计数值M’；

输出占空比为N/T的脉冲波形时，其中T为计数器的计数周期；当M’<N时，输出脉冲波形为高电平；当M’≥N时，输出波形为低电平。

2.根据权利要求1所述的一种离散型PWM的控制方法，其特征在于：所述将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换具体是指：将计数值M的比特最低位与比特最高位进行调换，比特次高位与比特次低位进行调换，以此类推。

3.根据权利要求1所述的一种离散型PWM的控制方法，其特征在于：若使用者要求的周期T’<T，则将变换后的计数值M’中≥T’部分所对应的计数值跳过。

4.一种多通道离散型PWM的控制方法，其特征在于：将计数器计数值M的每一个计数位的高低位置进行调换得到新的计数值M’；

将计数器的计数周期分为至少两个区间，每个区间对应一个通道，每个区间所占计数周期T的比例即为对应通道输出PWM波形的占空比；当计数值M’位于第一区间时，第一通道输出高电平，当计数值M’位于第一区间以外时，第一通道输出低电平；当计数值M’位于第二区间时，第二通道输出高电平，当计数值M’位于第二区间以外时，第二通道输出低电平；以此类推。

5.根据权利要求4所述的一种多通道离散型PWM的控制方法，其特征在于：当所述各通道输出脉冲波形的占空比之和>100％时，划分的区间之间有重合；当所述各通道输出脉冲波形的占空比之和＝100％时，划分的区间之间没有重合，且各通道输出脉冲波形互补，即任一时刻，有且仅有一个通道输出高电平；当所述各通道输出脉冲波形的占空比之和<100％时，划分的区间之间没有重合，且有区间未被使用，该情况下，任一时刻，最多有一个通道输出高电平。

6.根据权利要求4所述的一种多通道离散型PWM的控制方法，其特征在于：当将一个空的区间对应一个通道时，该通道的输出保持为低电平；对应的输出脉冲波形的占空比为0％。

7.一种采用权利要求4所述的多通道PWM的控制方法的LED系统，其特征在于：所述区间为3个，LED光源按照发光颜色分为红绿蓝三组，每一个通道对应一组LED光源；

当调整三个通道输出的脉冲波形其占空比之和，则可以调整LED系统的出光亮度；

在保持三个通道输出的脉冲波形其占空比之和不变的情况下，改变每一个通道输出的脉冲波形占空比，则可以改变LED系统出光中红绿蓝三色所占比例，从而改变LED系统的出光色温。