CN1770934A - 非线性脉宽调制pwm的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种照明或显示目的的网络型半导体LED照明系统。该系统通过网络协议和内部嵌入式处理器的控制，采用非线性PWM的算法和控制曲线，用以驱动半导体LED照明光源，从而使视觉特性产生几乎与光照辉度相适应的线性响应，达到提高人类视觉对半导体LED光照辉度响应的动态范围。

Description

非线性脉宽调制PWM的控制装置

1.技术领域

本发明涉及一种用于照明或显示目的的照明控制装置，尤其是指一种用于半导体LED网络型控制和驱动的照明装置。

2.背景技术

现已公知的LED照明的控制和驱动技术，按其技术特征的不同，可以分成下述几类：

(1)采用以一定的时间间隔，周期性地接通/截止输出端口的半导体LED照明器件，通过选择不同的接通/截止时间，用以产生LED照明辉度的明暗效果。其优点是，可以减少驱动LED的功耗，提升照明变化品质，营造出栩栩如生的灯光动态效果。

与所述技术特征相关的专利文献有：

①日本精工电子有限公司的LED驱动电路(中国专利公开号CN1370035A公告日2002年9月18日)；

②台湾日光灯股份有限公司的控制全彩发光二极管变化的驱动电路(中国专利公开号CN2659080Y，公告日2004年11月24日)。

(2)具有遥控或网络控制能力并在预定的范围内，以线性脉宽调制PWM方式，驱动并控制LED的照明辉度；与上述技术特征相关的已公知的专利文献有：

①日本埃维克斯公司的调光型LED照明设备(中国专利公开号CN1309523A，公开日2001年8月22日)；

②美国动力色彩公司的Multicolored LED Lighting Method and Apparat(美国专利公开号US6150774，公开日2000年11月21日)。

但是，由于人眼视觉的先天缺陷，即人眼视觉相对于LED驱动电流的线性变化，并非呈现视觉相对于辉度的线性响应，而是呈对数响应。人眼视觉的这一缺陷表现在：在LED低辉度区间，视觉响应基本上呈线性响应；而当辉度约达到最大辉度的65％或以上时，视觉响应呈压缩型响应；具体而言，半导体LED从0-100％的辉度作变化时，人眼视觉无法作到全范围且线性的感知；这是人类视觉的先天缺憾，视觉对辉度的进一步增长，已无法感受到真实的变化，因此，造成了视觉响应的动态压缩。目前已公知的LED驱动方式，都未考虑到人眼视觉的这一特殊缺陷，从而导致视觉响应的实际效果与理论效果相差甚远。

除此以外，半导体照明的网络控制系统，通常采用国际DMX-512的控制协议，由于该网络的有效控制距离仅为250米；属单向传输特性，则无法提供节点信息的回传路径；且不具备网络仲裁协议。因此，从半导体照明的远程网络应用而言，不可避免地留下较大的遗憾。

3.发明内容

本发明的目的，旨在提供一种使人类视觉随半导体照明辉度呈线性响应的网络型远程控制和驱动装置，以克服DMX-512网络方案的不足以及人眼视觉相对于半导体LED辉度呈非线性响应的缺点。

本发明的目的是这样实现的：

一种非线性脉宽调制PWM的控制装置，包括：

-至少一个含有第一光谱输出的第一LED照明单元；

-至少一个用于接收或发送信息的接口单元；

-至少一个将所述LED照明单元和所述接口单元作电气连接的控制单元；

-所述的控制单元还进一步配置有：具有补偿视觉对LED照明辉度呈非线性响应的脉宽调制(PWM)的非线性算法；所述的非线性算法与来自外部网络控制器或内置控制指令所输入的线性辉度控制数据x，呈f(x)＝x^a(其中：a＝2.5-3.0范围内的任意点)的函数响应；

-至少一个电源单元，向所述的第一LED照明单元和所述的接口单元和所述的控制单元分别提供工作电源。

本发明的功效在于：本发明所提供的是一种不受网络连接方式限制、也不受网络信息传输方向限制的一种半导体LED网络型控制和驱动的照明装置；同时，针对人眼视觉相对于半导体LED照明辉度的非线性响应的视觉缺陷，通过采用非线性脉宽调制PWM的算法，予以克服，从而拓展了视觉响应的动态范围，增强了视觉对半导体LED的表现力的直观感受，并具有灵活的远程控制能力和改善视觉的响应能力的优点。

4.附图说明

图1为现有技术LED线性增/减的辉度相对于视觉缺陷所形成的响应曲线；

图2为本发明的原理方框图；

图3为本发明中采用LED非线性脉宽调制PWM方式，相对于视觉缺陷所形成的响应曲线；

图4为本发明接口单元实施例的原理方框图；

图5为本发明控制单元实施例的原理方框图；

图6为本发明LED照明单元实施例的原理方框图；

图7为本发明非线性脉宽调制PWM产生实施例的软件流程图；

5.具体实施方式

请参阅图1：表示目前的半导体LED照明电流相对于人眼视觉响应，所表现出的视觉缺陷。其中，水平轴表示驱动半导体LED的线性电流变化，垂直轴表示半导体LED随驱动电流变化的辉度变化，从中可见，LED辉度响应L1是随驱动LED电流的线性变化作线性响应，而人眼视觉响应f1对半导体LED的线性电流变化，却呈现出对数响应的非线性的变化特征；这正是人眼造成的视觉缺陷。

请参阅图2，图2为本发明的原理方框图，本发明由 接口单元10， LED照 明单元30以及将 接口单元10， LED照明单元30通过分别与控制线200、控制线300依次连接的 控制单元20；接口单元10的另一端，通过控制线100与外部网络控制器或者其它控制器连接；另外还包括经线路400与外部输入电源连接的 电源单元40，其输出通过电气连接线401、电气连接线402、电气连接线403与所述 接口单元10， 控制单元20， LED照明单元30分别作电气连接，电源单元40，含有交流AC输入转换成直流DC输出或/和含有直流DC输入转换成直流DC输出的功能。

在本实施例中，为防止功率型LED因结温升高造成LED照明质量的下降甚至损坏LED器件，可采用铝合金或其它金属印制电路板材料做成金属电路基板，采用功率型LED照明器件的LED照明单元30被安装在金属电路基板的一侧，而除LED照明单元30外的其它电路器件被安装在另一侧；以提供功率型LED照明器件较好的基板散热条件。

在本实施例中，为进一步完善结构散热效果，已完成功率型LED照明器件和其它控制电路器件安装的金属电路基板，更进一步地将采用金属材料的(如铝合金材料)外壳，与安装有LED照明单元和其它器件的金属基板，进行机械和电气连接，提供更大面积的散热条件，避免功率型LED照明器件因散热条件不够，导致结温急剧增加而损坏LED器件。

其中，接口单元10的功能主要包括，依据特定的通信协议提供与外界实施接收或发送的网络通信路径，所采用的通信主要以串行接口的方式工作；其中控制单元20的主要功能包括，将来自接口单元10的 控制序列数据包，对其进行识别和解码后，作出相应的驱动，如对 LED照明单元30，实施电流驱动；控制单元20的另一主要功能包括，具备内藏的非线性脉宽调制(PWM)算法，该算法对来自外部网络控制器的 控制序列数据包中的线性辉度控制数据X，或对来自控制单元20内部的线性辉度控制数据X，将其转换成符合f(x)＝X^a(其中：a＝2.5-3.0范围内的任意点)的函数响应，其目的是用于补偿人眼视觉对半导体LED辉度呈对数响应的视觉缺陷，提高视觉对半导体辉度响应的动态范围； 控制单元20的另一主要功能还包括，具有自身地址识别和改变地址的能力； LED照明单元30的主要功能包括，具备含有某一光谱输出的半导体LED光源，该光源可以是单体或多个， LED照明单元30接受来自控制单元20的非线性脉宽调制(PWM)的驱动命令，在LED光源中，产生补偿人眼视觉缺陷的辉度增/减曲线；其中 电源单元40的主要功能包括，将来自外部的交流电源或直流电源，变换成分别与接口单元10、控制单元20、LED照明单元30相适应的工作电压，提供所需工作电压和安全电压的保障。

请参阅图3，图3为本发明所采用的非线性脉宽调制(PWM)算法，预期达到的效果示意图，其详细实施细节将在下面描述。

请参阅图4，图4为本发明中 接口单元10的实施例结构方框图，本实施例主要包括：

与外部网络控制器进行收/发通信的 物理接口11， 物理接口11的一端通过至少一条 网络线路100与外部网络控制器连接， 物理接口11的另一端通过内部通信线路110与 接口收发器12的一端连接， 通信协议控制器13通过内部通信线路120与 接口收发器12的另一端连接， 通信协议控制器13的另一端通过内部通信线路200与所述的控制单元20连接；本实施例中的物理接口11，可以是不限于单向传输目的的网络物理接口，可采用无线接口、双绞线接口、电力线接口、光缆接口、同轴电缆接口中的任可一种或其中几种的组合；本实施例中的 接口收发器12，用以进行转换来自 物理接口11的数据电平，完成与通信协议控制器13的数据电平或物理格式的匹配；本实施例中的 通信协议控 制器13，完成通信协议格式的编码、解码任务，可采用适应串行传输的通信协议，如采用ACN、Art-net、DMX512A、DALI、Lonworks、Cebus、CAN、FF、P-net、Profibus等协议格式中的任何一种或其中几种的组合。

请参阅图5，图5为本发明中控制单元12的实施例结构方框图，本实施例主要包括：

地址选择开关13通过地址连接线120与 微控制器21的第一端口连接，用于人工或自动设置、改变本地地址，可以采用指拨开关或可编程开关，易于操作；

片内或/和片外存储器22通过 内部数据总线210与 微控制器21的另一端口连接，用于存储控制命令和预置程序； 片内或/和片外存储器22采用非易失性存储器，如E2POM、FRASH MEMORY等， 内部数据总线210可以采用SPI总线或I2C总线实现，简化总线的连接；

接口单元10通过 内部通信线200与 微控制器21的第三端口连接，用于提供与网络进行通信的收/发路径；

微控制器21具有响应地址的设置命令、网络信号命令、内置于 片内或/ 和片外存储器22的程序指令的能力，并且按网络命令或程序指令，通过 内部 驱动线路230A、230B、230C，分别执行对 LED驱动器23A、23B、23C实施驱动的命令，该驱动命令不同于线性脉宽调制PWM方式，而是采用本发明特有的非线性脉宽调制PWM算法，该算法表格存储在 片内或/和片外存储器22内， 微控 制器21通过 内部总线200进行访问；具体操作步骤为： 微控制器21接收来自接口单元10的网络信号，该网络信号一般含有通信协议、寻址信息、控制数据、状态信息、纠错信息等内容； 微控制器21解出其中对 LED照明单元30的驱动命令后，并不直接用于控制驱动，而是通过访问 微控制器21内部的控制脉宽调制PWM输出的特殊功能寄存器，特殊功能寄存器为16位加法计数器，CH和CL分别是该加法计数器的高8位和低8位寄存器，另外。每个PWM模块分别具有一个用于比较/捕捉寄存器CAH(高8位)、CAL(低8位)和一个方式寄存器CCM，PWM输出占空比如下，若CL＜CAL，PWM输出低电平；若CL≥CAL，PWM输出高电平；则PWM输出占空比＝(256-CAL)/256；由此可见，通过改变CAL可以容易地改变PWM输出占空比，而在 片内或/和片外存储器22存有按非线性脉宽调制PWM算法的转换表格，即相对于输入脉宽调制PWM驱动值X，则转换函数按f(x)＝X^a(其中：a选2.7)转换成相对于输入函数呈指数规律增/减的响应曲线； 微控制器21通过访问和查询 片内或/和片外存储器22的函数转换表格，得到一条符合人类视觉相对于输入线性函数也呈线性响应的控制曲线，用以对 LED照明单元30实施有效驱动； 微控制器21可以采用通用的嵌入式控制器，如各种8位或16位的微处理器MCU；当然，如果选用的嵌入式控制器直接带有脉宽调制PWM硬件端口，则本发明的实现会更加容易；本实施例介绍的就是这类器件(如美国Microchip公司的PIC16C78X；荷兰飞利浦公司的P89C51RXX；美国莫托罗拉公司的MC68HC908LXX系列)；即使不具备脉宽调制PWM硬件资源的嵌入式控制器，也可以通过对通用I/O口进行软件编程后，给出模拟的脉宽调制PWM功能的输出功能，因该软件模拟端口的技术，对本行业的工程师都是公知技术，在此，本实施例将不再展开叙述。

如果所述 LED照明单元30，由小功率、低电流LED照明器件组成，如每路驱动电流小于20mA，则可以在图5中，省略掉 LED驱动器23A、23B、23C，采用由 微控制器21经 内部驱动线路230A、230B、230C直接驱动LED照明单元30，因驱动原理与上述相同，因此不再另外附图，也不再重述工作原理。

请参阅图6，图6为本发明中 LED照明单元30的实施例结构方框图，本

实施例主要包括：

含有第一、第二、第三光谱输出的 LED发光二极管30A、30B、30C，其中，第一、第二、第三光谱不是同一光谱，如第一光谱采用一颗或多颗红色LED 发 光二极管、第二光谱采用一颗或多颗绿色LED 发光二极管、第三光谱采用一颗或多颗蓝色LED 发光二极管；每一组具有相同光谱输出LED 发光二极管，采用并联或/和串联的方式或采用部分并联或/和部分串联的方式经驱动线路300A、300B、300C连接到 LED驱动器和 电源单元40之间，组成含有LED红、绿、蓝三基色的照明或景观灯具，当然，也可以只做成单色的LED照明灯具，只要在图6中，去掉 LED发光二极管30B、30C，去掉 驱动线路300B、300C即可，因工作原理与上述三基色灯具相同，因此不再另外附图，也不再重述工作原理。

同时， LED照明单元30中，采用与LED发光二极管30A、30B、30C，一一对应地逐个安装二次光学装置31A、31B、31C，其作用是产生不同的光学辐射，控制光辐射的角度变化，达到如不同辐射角度(如：宽、中、窄等)、不同混色效果的特定变化；当然也可以采用与LED发光二极管30A、30B、30C，采用整块的菲涅尔光学平面透镜，既能达到一定的光辐射效果，又能够降低安装和制造成本。

请参阅图7，图7为本发明中采用非线性脉宽调制PWM方式的软件流程图，本实施例主要包括步骤：

来自网络信号内的PWM控制数据被 控制单元20输入并解码S100， 控制单 元20自动转向非线性脉宽调制PWM的预置表格S200，采用表格首址+(PWM计数器)的映射方式，找到当前PWM输入控制字(线性PWM)所对应的非线性PWM的映射控制字S300，按已经转换的非线性PWM的控制字， 控制单元20启动PWM占空比的输出S400，用以驱动 LED照明单元30，得到适应视觉相对于LED照明辉度的线性响应输出。

Claims (15)

1.一种非线性脉宽调制PWM的控制装置，其特征在于，包括：

—至少一个含有第一光谱输出的第一LED照明单元；

—至少一个用于接收或发送信息的接口单元；

—至少一个将所述LED照明单元和所述接口单元作电气连接的控制单元；

—所述的控制单元还进一步配置有：具有补偿视觉对LED照明辉度呈非线性响应的脉宽调制(PWM)的非线性算法；所述的非线性算法与来自外部网络控制器或内置控制指令所输入的线性辉度控制数据x，呈f(x)＝x^a(其中：a＝2.5～3.0范围内的任意点)的函数响应；

—至少一个电源单元，向所述的第一LED照明单元和所述的接口单元和所述的控制单元分别提供工作电源。

2.如权利要求1所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的LED照明单元还进一步包括，至少含有一个第二光谱输出的第二LED照明单元或/和至少含有一个第三光谱输出的第三LED照明单元；所述的第一、第二、第三LED照明单元，分别具有以不同色彩的光谱输出的LED发光二极管组成。

3.如权利要求1或2所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的至少一个第一LED照明单元、所述的至少一个第二LED照明单元、所述的至少一个第三LED照明单元，分别含有至少一个红色LED、至少一个绿色LED、至少一个蓝色LED。

4.如权利要求1、2所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的接口单元还包括：

—至少一个用于和外部网络控制器连接的网络通信接口；

—至少一个用于响应地址设置的地址开关接口；

所述的网络通信接口和所述的地址开关接口，分别与所述的控制单元连接。

5.如权利要求4所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的至少一个网络通信接口是不限于单向传输信息的通信接口。

6.如权利要求4所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的至少一个网络通信接口的物理方式是无线接口、双绞线接口、电力线接口、光缆接口、同轴电缆接口中的任何一种或其中几种的组合。

7.如权利要求4所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的至少一个地址开关接口采用指拨开关或可编程开关，地址可以随人工或自动设置而改变。

8.如权利要求1、2所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的控制单元进一步包括：

—至少一个通过内部总线连接的片内或/和片外的存储器；

—至少一个微控制器；用于响应来自所述的网络通信接口的至少一种网络信号或响应内置于所述存储器的至少一组程序指令，并且按所述的网络信号或所述的程序指令，执行驱动所述LED照明单元的相应命令；同时，还具备一路或多路用于补偿视觉对LED照明辉度呈非线性响应的脉宽调制(PWM)的非线性算法的转换输出接口；

9.如权利要求7所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的微控制器的PWM输出端，设置有电流激励装置，用以对功率型LED照明单元进行驱动。

10.如权利要求7所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的至少一个微控制器，响应来自所述的网络通信接口的至少一种所述的网络信号，该网络信号含有通信协议、寻址信息、控制数据、状态信息、纠错信息等内容。

11.如权利要求7所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的至少一个微控制器，所述的网络信号所含有的所述的通信协议，采用ACN、Art-net、DMX512A、DALI、FF、Cebus、Lonworks、CAN、P-net、Profibus等串行通信协议格式中的任何一种或其中几种的组合。

12.如权利要求1、2所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，其中：

至少一个第一光谱输出的第一LED照明单元或/和至少一个第二光谱输出的第二LED照明单元或/和至少一个第三光谱输出的第三LED照明单元，被设置在印制电路板PCB的第一层面；

至少一个控制器，被设置在印制电路板PCB的第二层面；和

至少一个连接模块，将第一层面和第二层面进行机械和电气连接。

13.如权利要求11所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，所述的印制电路板PCB采用金属材料MPCB，为功率型LED照明单元提供散热功能。

14.如权利要求1、2所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，配置含有至少一个热传导功能的外壳。

15.如权利要求1、2所述的非线性脉宽调制PWM的控制装置，配置含有为所述的至少一个第一光谱输出的第一LED照明单元、至少一个第二光谱输出的第二LED照明单元、至少一个第三光谱输出的第三LED照明单元，提供光辐射路径的二次光学装置，所述的二次光学装置对所述的LED照明单元内的各别LED而言，是独立结构或/和整体结构方式。

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