TWI581661B - 基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置 - Google Patents

基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置 Download PDF

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Description

基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置
本發明涉及LED控制技術領域，具體涉及一種基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置。
發光二極體(Light Emitting Diode，LED)具有發光效率高、方向性好、色彩穩定性好、可靠性高、壽命長，體積小以及環境安全性高等顯著優點，尤其適合應用於LED彩燈照明。LED彩燈一般由多顆LED通過串聯或並聯的方式聯結成串，是耶誕節、復活節等節日的主要裝飾品，也是喜慶、娛樂、夜景照明的亮化裝飾產品，具有廣闊的市場。
目前市場上的LED彩燈有常亮與帶閃爍燈模式。常亮模式生產製造簡單，但裝飾效果單調。帶閃爍燈串的主要實現方式包括：在常亮燈串中間隔串裝LED閃泡，但是這種LED閃泡亮燈模式固定，不能接收控制信號實現其他變化效果；另一種將LED彩燈分成若干組，各個LED彩燈由單獨控制器控制，為了達到燈串流水等效果，就必須做成3路以上的結構，路數越多效果就越好。
將LED燈串分成若干組的模式，一般將需要同時發光的一組LED串聯，然後再對各組LED串進行並聯。增加LED彩燈的路數就會帶來結構的複 雜和電線用量的增加，而且增加生產難度和成本，產品體積龐大、部件繁多，造價較高。
公開號為CN1423515的中國發明專利申請公開一種用於裝飾的變色彩燈帶，包括提供觸發電壓的控制器、數個變色開關電路，每個變色開關由二個雙向可控矽分別串聯整流二極體後再與第三個雙向可控矽並聯而成，三個雙向可控矽的控制極與控制器相連，並聯電路的一端接電源，另一端連接若干個變色燈泡。該方案通過可控矽電路可以用簡單的方式實現三色變化，但當需要實現更多種顏色模式控制時，電路較為複雜。
公開號為CN203206544U的中國實用新型專利申請公開一種兩組LED燈迴圈閃亮的雙線式LED燈串方案，包括連接用電線及若干個LED燈，所有的LED燈按一正一反的極性排列後再用兩根電線並聯連接成燈串，並聯連接的一根電線與控制單元的第一個輸出端電連接，並聯連接的另一根電線與控制單元的第二個輸出端電連接，控制單元控制的第一輸出端和第二輸出端的正、負極性間歇互換。該方案的優點是控制系統部分輸出線只有兩根，燈串也用兩根電線實現兩路迴圈，可大量節約電線。但該方案的只能實現兩種色彩的控制。
公開號為CN103528014A的中國專利申請公開一種IC晶片控制發光的LED聖誕燈串，包括變壓器、控制器、常亮LED發光支路和可控LED發光支路，通過IC模組控制，對可控LED發光支路中要求產生發光模式變化的LED燈實現點控制，不需要特殊的LED燈，就使得可控LED燈串的發光效果產生豐富的變化。該方案需要包括分開的常亮LED發光支路和可控LED發光支路，可控LED發光支路的IC晶片需要獨立的線路連接。
公開號為CN101598277的中國專利申請公開了一種只用兩根電線的LED燈串，編碼控制器的輸入端連接電源，編碼控制器的輸出端連接兩根電線，電線上並聯連接多個LED，組成多路LED燈串。同一路LED燈串中LED內設置一個相同的編碼識別晶片，不是同一路的LED所設置的編碼識別晶片互不相同。該方案編碼控制器通過載波電路的輸出端連接發送電路，編碼識別晶片包括脈衝接收電路，脈衝接收電路信號輸出端連接解碼電路。該方案不是同一路的LED所設置的編碼識別晶片互不相同，這一方面導致編碼識別晶片需要包括唯讀記憶體存放編碼，增加編碼識別晶片的複雜性，另一方面也導致生產過程中需要按照不同編碼組裝產品，如不同編碼識別晶片組裝位置錯誤，就不能實現預期設計的裝飾效果，這導致最終產品組裝複雜。
針對現有技術的不足，本發明提供了一種基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置。
一種基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，包括：
邊沿信號發生器，用於生成邊沿信號並將所述的邊沿信號載入在電源線上輸出；
若干LED模組，每個LED模組包括一個LED彩燈組和用於根據電源線輸出的邊沿信號驅動該LED彩燈組的LED驅動器。
本發明的彩燈裝置中LED模組的數量以及每個LED模組中包括的LED的數量及顏色根據實際應用情況設定。當LED模組的數量大於等於2時，各個LED模組可以並聯方式連接，也可以串聯方式連接。
通過邊沿信號發生器生成邊沿信號並載入至電源線上輸出，一方面為LED驅動器供電，另外，電源線輸出的邊沿信號還可以作為LED驅動器的控制信號，在LED燈數量龐大的LED彩燈領域，能夠只通過電源線和地線就獲得閃爍、顏色跳變、顏色逐漸增亮、顏色逐漸變暗以及流水燈等效果，可大大減少所需連線的數量。
所述的邊沿信號發生器包括可控開關和與可控開關的控制端連接的控制電路，所述可控開關的輸入端接直流電源，輸出端接所述的電源線。
通過控制電路的輸出信號控制可控開關的通斷，即可形成邊沿信號，並載入至電源線上。當可控開關導通時，電源線上載入的邊沿信號為高電平，當可控開關斷開時，電源線上載入的邊沿信號為低電平。
作為優選，所述的控制電路基於微處理器（MCU）實現。進一步，為降低成本，所述的微處理器可以為單片機。
為保證可控開關具有較高的回應速度，所述的可控開關可以採用場效應管實現。作為優選，所述的可控開關基於P溝道的場效應管實現。
作為優選，所述可控開關的輸出端還連接有下拉電路。通過設置下拉電路，在可控開關斷開時，迅速將電源線載入的邊沿信號的電平拉低。
作為優選，所述LED驅動器包括：
邊沿觸發運算單元，由電源線邊沿信號觸發進行運算，並輸出運算結果；
充電單元，用於根據電源線輸入的邊沿信號為邊沿觸發運算單元提供供電電平，當邊沿信號為高電平時充電，當邊沿信號為低電平時放電；
初始化單元，用於根據所述的供電電平對邊沿觸發運算單元進行初始化。
所述LED驅動器的電源線與所述LED驅動器的地之間還可以連接分壓電阻，用於LED模組串聯應用時起到分壓作用。
本發明中邊沿觸發運算單元的實際作用是由邊沿信號觸發進行計數運算、算數運算、邏輯運算或移位元運算，或者完成由計數運算、算數運算、邏輯運算、移位元運算等運算組合而成的運算。邊沿觸發運算單元運算結果用於生成LED驅動信號。
當LED模組的數量大於2時，各個LED模組的LED驅動器中的邊沿觸發運算單元可以執行相同方式運算，也可以執行不同方式運算。
作為優選，所述邊沿觸發運算單元，由電源線邊沿信號觸發進行算術邏輯運算，並輸出運算結果。所述的邊沿觸發運算單元包括n個觸發器和一個k位算數邏輯單位，以觸發器的輸出端輸出運算結果。作為優選，所述的觸發器為D觸發器。
作為優選，所述的邊沿觸發運算單元包括n個並聯的D觸發器和一個k位算數邏輯單位，所述的n和所述的k為相等值，以D觸發器的輸出端輸出運算結果，其中：
各個D觸發器的觸發端分別與算數邏輯單位相應位的輸出端連接；
各個D觸發器的重定端與初始化單元連接，時鐘信號輸入端與電源線連接；
算數邏輯單位的A組輸入端分別與相應位的D觸發器的輸出端連接，B組輸入端外接模式控制常量。
所述算數邏輯單位是實現算數運算或邏輯運算的邏輯電路，所述算數邏輯單位的兩組運算元分別是A 組輸入端和B 組輸入端輸入的資料，所述算數邏輯單位的輸出端是對A 組輸入端和B 組輸入端輸入的運算元進行算術邏輯運算的運算結果。
本發明中的算數邏輯單位可以為加法器電路、減法器電路、邏輯運算電路、乘法器電路或除法器電路，也可以為加法器電路、減法器電路、邏輯運算電路、乘法器電路、除法器電路的任意組合。實際應用時模式控制常量可以固定不變，也可以外接模式選擇電路，由模式選擇電路對B組輸入端進行置數，使用者根據需要通過模式選擇電路對模式控制常量進行置數，以使整個邊沿觸發運算單元以不同的方式進行運算。例如，在算數邏輯單位為加法器時，模式控制常量為2m （十進位表示，m為大於等於0且小於n的整數）。當m為0時模式控制常量為20 ，邊沿觸發運算單元採用遞增方式進行計數；當m為1時模式控制常量為21 ，邊沿觸發運算單元採用加2方式進行計數，運算結果（採用二進位表示）最低1位元保持不變；當m為2時模式控制常量為22 ，邊沿觸發運算單元採用加4方式進行計數，運算結果（採用二進位表示）最低2位元保持不變。
另外，在算數邏輯單位為加法器時，模式控制常量還可以設為2n -2m （十進位表示，m為大於等於0且小於n的整數）。例如：當m為0時模式控制常量為2n -1，算數邏輯單位實際上加-1的補數，邊沿觸發運算單元採用遞減方式進行計數；當m為1時模式控制常量為2n -2，算數邏輯單位實際上加-2的補數，邊沿觸發運算單元採用減2方式進行計數，運算結果（採用二進位表示）最低1位元保持不變；當m為2時模式控制常量為2n -4，算數邏輯單位實際上加-4的補數，邊沿觸發運算單元採用減4方式進行計數，運算結果（採用二進位表示）最低2位元保持不變。
可以看出，通過外接模式控制常量從而完成運算模式的多樣化，進而輸出更多種類的運算結果，在LED彩燈上控制更加靈活，在LED彩燈控制領域更加具有應用競爭力。
未作特殊說明，本發明中的邊沿觸發運算單元的輸出具有高低位元之分。第一個D觸發器是指根據邊沿觸發運算單元中最低位元對應的D觸發器。相鄰兩個D觸發器中以相對低位的D觸發器作為前一個，相對高位的D觸發器作為後一個。相應的，對於算數邏輯單位，A組輸入端和B組輸入端中的各位也具有相應的高低位。
作為邊沿觸發運算單元的另一種實現方案，所述的邊沿觸發運算單元為邊沿計數單元，用於對電源線輸入的邊沿信號的邊沿進行計數，並輸出計數結果。
所述的邊沿計數單元包括若干個觸發器，以觸發器的輸出端輸出計數結果。
作為優選，所述的觸發器為D觸發器。
作為優選，所述的邊沿計數單元包括若干個串聯的D觸發器，以D觸發器的輸出端輸出計數結果，其中：
第一個D觸發器的時鐘信號輸入端與電源線連接，相鄰兩個D觸發器中，後一個D觸發器的時鐘信號輸入端與前一個D觸發器的反向輸出端連接；
各個D觸發器的重定端與初始化單元連接，各個D觸發器反向輸出端與觸發端連接。
本發明中未作特殊說明，第一個D觸發器是指根據邊沿計數單元中最低位元對應的D觸發器。相鄰兩個D觸發器中以相對低位的D觸發器作為前一個，相對高位的D觸發器作為後一個。
作為邊沿觸發運算單元的另一種實現方案，所述的邊沿觸發運算單元為邊沿觸發移位元單元，所述的邊沿觸發移位元單元，由電源線邊沿信號觸發進行移位元，並輸出移位結果。
所述的邊沿觸發移位元單元，包括至少兩個觸發器，以觸發器的輸出端輸出移位結果。作為優選，所述的觸發器為D觸發器。
作為優選，所述的邊沿觸發移位元單元包括至少兩個串聯的D觸發器，以各個D觸發器的輸出端輸出移位結果，其中：
第一個D觸發器的觸發端與最後一個D觸發器的輸出端連接，相鄰兩個D觸發器中，後一個D觸發器的觸發端與前一個D觸發器的輸出端連接；
各個D觸發器的復位端或置位元端與初始化單元連接，時鐘信號輸入端與電源線連接。
本發明中通過初始化，可以對邊沿觸發移位元單元置任意數，根據需要設定。對於邊沿移位元單元而言，其中的各個D觸發器在初始時刻輸出不同，移位才有意義，因此，所述邊沿移位元單元中至少有一個D觸發器的重定端與初始化單元連接，至少有一個D觸發器的置位元端與初始化單元連接。對於各個D觸發器，置“零”時，該D觸發器的重定端與初始化單元連接，置位元端接無效電平（若置位端低電平有效，則接高電平）；反之，置“1”時，該D觸發器的置位元端與初始化單元連接，重定端接無效電平。當電源線信號為高電平時，充電單元充電，當充電單元提供的電平達到高電平時，邊沿觸發移位元單元和初始化單元上電成功。
未作特殊說明，本發明中的邊沿觸發運算單元的輸出具有高低位元之分。第一個D觸發器是指根據邊沿觸發運算單元中最低位元對應的D觸發器。相鄰兩個D觸發器中以相對低位的D觸發器作為前一個，相對高位的D觸發器作為後一個。相應的，對於算數邏輯單位，A組輸入端和B組輸入端中的各位也具有相應的高低位。
所述D觸發器為時序電路的基本電路，輸出端包括正向輸出端和反向輸出端，反向輸出端邏輯值等於正向輸出端邏輯值取反；當復位端為有效電平時正向輸出端為邏輯0，當置位元端為有效電平時正向輸出端為邏輯1，當時鐘信號輸入端為有效邊沿且復位端和置位端都為無效電平時正向輸出端邏輯值等於觸發端邏輯值，否則輸出端邏輯值不變。
D觸發器有效邊沿可以為上升沿，也可以為下降沿，根據需求選擇。
D觸發器的個數越多，邊沿觸發運算單元對應的運算範圍越大。作為優選，所述的邊沿觸發運算單元包括至少兩個D觸發器。進一步優選，所述的邊沿觸發運算單元包括2~200個D觸發器，即n的取值優選為2~200。
所述的充電單元包括單向導電元件，所述單向導電元件的陽極電壓高於陰極電壓時導電，陰極電壓高於陽極電壓時截止。所述單向導電元件的陽極與電源線連接，陰極通過一儲能元件接地，所述的充電單元通過單向導電元件的陰極為邊沿觸發運算單元和初始化單元提供供電電平。單向導電元件可以是單個器件，也可以是多個器件構成的具有單向導電特性的電路。
所述LED彩燈組包括n個LED，相對於所述LED驅動器的n個輸出端，所述LED彩燈組具有連接方式是A(n,n) 排列數中的一種連接方式。連接時，n個LED的陽極共同連接在所述LED模組的電源端，n個不同顏色的LED的陰極分別連接在所述LED驅動器的n個輸出端。
所述LED彩燈組中的n個LED的陰極連接在對應LED驅動器的n個輸出引腳，電源線邊沿信號觸發的LED驅動器中邊沿觸發運算單元的運算結果的取值範圍為0~(2n -1)，通過載入電源線邊沿信號控制每個LED彩燈組實現2n 種模式變化，進一步，通過控制每個邊沿信號後高電平時間的長短獲得邊沿信號間隔時間對應速度的模式變化。
進一步，在運算結果範圍0~(2n -1)中選擇若干個值K0 、K1 、...、Ku ，u為大於0的整數，並設置對應的維持高電平時間D0 、D1 、...、Du ，運算結果對應的顏色模式集合為{L0 、L1 、...、Lu }，重複在人眼不能分辨的短時間內快速載入若干個邊沿信號使得LED驅動器運算結果為K0 維持高電平時間D0 、LED驅動器運算結果為K1 維持高電平時間D1 ，其餘各個運算結果的維持時間依次類推，LED驅動器運算結果為Ku 維持高電平時間Du ，通過上述方式實現彩燈組對應LED驅動器運算結果為K0 、K1 、...、Ku 對應的顏色模式跳變，進一步，通過設置邊沿信號後高電平時間D0 、D1 、...、Du 長短獲得邊沿信號間隔時間對應速度的顏色模式變化。
進一步，顏色模式變化從L0 →L1 →..→Lu 的LED彩燈組、顏色模式變化從L1 →L2 →...→Lu →L0 的彩燈組、顏色模式變化從L2 →L3 →...→Lu →L0 →L1 的LED彩燈組、...、顏色模式變化從Lu →L0 →L1 →...→Lu-1 的LED彩燈組在視覺效果上獲得流水效果，進一步，通過設置邊沿信號後維持高電平時間D0 、D1 、...、Du 長短獲得邊沿信號間隔時間對應速度的流水效果。
進一步優選，所述的LED驅動器還包括LED驅動電路，所述的LED驅動電路的輸入端與邊沿觸發運算單元的輸出端連接，輸出端與相應的LED連接以驅動相應的LED。
本發明實現了由所述的電源線供電並為所述LED驅動器傳輸時鐘信號，所述時鐘信號就是本發明所述的電源線輸入的邊沿信號，也是本發明所述的電源線邊沿信號，本發明免去了所述LED驅動器中時鐘電路存在的必要性，簡化了電路設計。
與現有技術相比，本發明的LED彩燈裝置通過控制可控開關的閉合和斷開，控制電源線通斷，進而輸出邊沿信號並載入在電源線上，將各個LED彩燈組及相應的LED驅動器直接與該載入有邊沿信號的電源線連接，可以完成對LED彩燈的驅動，實現不同的驅動效果，電路結構簡單，且成本低廉，通過MCU程式設計可以實現極其豐富的裝飾效果。
下面將結合附圖和具體實施例對本發明進一步詳細描述。
如圖1和如圖2所示，本實施例的基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，包括：
邊沿信號發生器，用於生成邊沿信號並將生成的邊沿信號載入在電源線上輸出；
本實施例的邊沿信號發生器包括可控開關和與可控開關的控制端連接的控制電路，可控開關包括P溝道場效應管CJ2301，其源極作為輸入端接直流電源（+5V電源），漏極為輸出端與電源線連接，柵極作為控制終端，與控制電路的輸出端連接，可控開關的輸出端還連接有一下拉電路。本實施例中下拉電路為下拉電阻（阻值為1MΩ），下拉電阻一端連接可控開關的輸出端，另一端接地，在可控開關斷開時，可以迅速將邊沿信號的電平拉低。
控制電路基於MCU（本實施例中為STC15F104E型單片機）實現，通過單片機輸出的控制信號控制可控開關的閉合和斷開（實際上為導通和截止）。
當可控開關導通時，電源線上載入的邊沿信號為高電平，當可控開關斷開時，電源線上載入的邊沿信號為低電平。
若干個LED模組，每個LED模組包括一個LED彩燈組和用於根據電源線輸出的邊沿信號驅動LED彩燈組的LED驅動器。
本實施例中每個LED彩燈組包括3不同顏色的LED，分別為紅光、綠光和藍光。本實施例的LED彩燈裝置中具有9個LED模組分為MODULE0 、MODULE1 、MODULE2 、MODULE3 、MODULE4 、MODULE5 、MODULE6 、MODULE7 和MODULE8 。各個LED模組中LED的連接方式如圖2所示，其中如(a)所示，LED模組MODULE0 、MODULE3 和MODULE6 的LED驅動器的三個輸出端由低位元到高位元分別連接紅光LED（即圖中R）、綠光LED（即圖中G）、和藍光LED（即圖中B）；如(b)所示，LED模組MODULE1 、MODULE4 和MODULE7 中的LED驅動器的三個輸出端由低位元到高位元分別連接藍光LED、紅光LED和綠光LED；如(c)所示， LED模組MODULE2 、MODULE5 和MODULE8 的LED驅動器的三個輸出端由低位元到高位元分別連接綠光LED、藍光LED和紅光LED。
如圖3所示，本實施例的LED驅動器包括：
邊沿觸發運算單元，由電源線邊沿信號觸發進行運算，並輸出運算結果；
充電單元，用於根據電源線輸入的邊沿信號為邊沿觸發運算單元提供供電電平，當邊沿信號為高電平時充電，當邊沿信號為低電平時放電；
初始化單元，用於根據所述的供電電平對邊沿觸發運算單元進行初始化；
以及LED驅動電路，用於根據邊沿觸發運算單元輸出的運算結果輸出相應的驅動信號以驅動對應的LED彩燈組。本實施例LED驅動電路是3個NMOS管，各個NMOS管柵極對應連接在邊沿觸發運算單元的輸出端，各個NMOS管的源極接LED驅動器的地，各個NMOS管的漏極連接在LED驅動器的輸出端。圖4為本實施例的邊沿觸發運算單元，包括3個並聯的D觸發器和一個3位算數邏輯單位，以各個D觸發器的輸出端輸出運算結果。
本實施例中的D觸發器為帶低電平重定的時鐘上升沿觸發D觸發器，分別為第一D觸發器F1、第二D觸發器F2和第三D觸發器F3，對應的正向輸出端分別為Q1、Q2和Q3，對應的運算結果從低到高依次為Q1、Q2、Q3。各個D觸發器的觸發端分別與算數邏輯單位相應位的輸出端連接，即D1連C1、D2連C2、D3連C3。
各個D觸發器的復位端（包括RD1、RD2和RD3）與初始化單元的輸出端連接，通過初始化單元對D觸發器進行初始置數。
時鐘信號輸入端（包括CK1、CK2和CK3）與電源線連接，由電源線輸入的邊沿信號觸發進行算數運算。
本實施例中邊沿觸發運算單元為三位元加法器，該邊沿觸發運算單元的A組輸入端由低到高依次為A1、A2和A3，B組輸入端由低到高依次為B1、B2和B3，輸出端由低到高依次為C1、C2和C3。算數邏輯單位的A組輸入端分別與相應位的D觸發器的輸出端連接（即Q1接A1、Q2接A2、Q3接A3）。B組輸入端外接模式控制常量。模式控制常量可以根據使用者需求進行置數。
圖5為本實施例的充電單元的具體電路，包括二極體D，二極體D的陽極與電源線連接，陰極通過一儲能元件C接地（本實施例中充電電容為源漏短接的MOS管等效電容，等效電容的大小為0.2μF）。整個充電單元通過二極體D的陰極為邊沿觸發運算單元和初始化單元提供供電電平。
圖6為初始化單元的電路原理圖，包括四個MOS管，分別為p溝道MOS管T1、p溝道MOS管T2 、n溝道MOS管T3 和n溝道MOS管T4、第一反相器V1、第二反相器V2。具體連接關係如下：
MOS管T1的源極和漏極均連接至充電單元中二極體D1的陰極，柵極與MOS管T3的漏極連接，MOS管T3的柵極與MOS管T1的源極連接，MOS管T3源極接地。MOS管T2的柵極和源極分別與MOS管T1的柵極和源極連接，漏極串聯一限流電阻R後（本實施例中限流電阻的大小為500Ω），與MOS管T4的柵極連接，且MOS管T4的漏極和源極分別與MOS管T3的源極和地連接。
MOS管T4的柵極連接第一反相器V1輸入端，第一反相器V1的輸出端連接第二反相器V2輸入端，第二反相器V2的輸出作為初始化單元的輸出端，向邊沿觸發運算單元輸出重定信號。
本實施例的電源線邊沿信號觸發的算數運算裝置的工作原理如下：
當該運算裝置未上電時，充電單元提供的供電電平為低電平，此時初始化單元和邊沿觸發運算單元供電不足，整個運算裝置不能運算。
當運算裝置上電時，且在邊沿信號為高電平時，充電單元中的儲能元件C被充電。在高電平持續時間足夠長的情況下，供電電平由低電平翻轉為高電平，初始化單元和邊沿觸發運算單元被正常供電。
此時，初始化單元中的MOS管T3導通，使MOS管T2導通，因此，充電單元可以通過限流電阻R對用作電容的MOS管T4充電。在對MOS管T4充電過程中，MOS管T4柵極的電壓逐漸增大，當充電到達使得第二反相器V2輸出的重定信號由低電平翻轉至高電平後完成初始化。
第二反相器V2的輸出端與邊沿觸發運算單元中的各個D觸發器的復位端連接，當第二反相器V2輸出低電平時，各個D觸發器復位，即邊沿觸發運算單元清零。
圖7為本實施例中電源線輸入的邊沿信號、初始化單元以及三位元加法器B組輸入端的模式控制常量為二進位001時運算結果的時序示意圖，其中運算結果採用三個D觸發器的正向輸出端的輸出信號表示。在電源上電後，在T時間三個D觸發器重定為邏輯０，即運算結果清零。在邊沿信號的上升沿E1處，運算結果為二進位001；在電源線上升沿E2，運算結果為二進位010；在電源線上升沿E3，運算結果為二進位011；在電源線上升沿E4，運算結果為二進位100；在電源線上升沿E5，運算結果為二進位101；在電源線上升沿E6，運算結果為二進位110；在電源線上升沿E7，運算結果為二進位111；在電源線上升沿E8，運算裝置溢出，運算結果為二進位000，電源線邊沿信號觸發的LED驅動器中邊沿觸發運算單元的運算結果的取值範圍為0~(23 -1)。
在電源上電後，在T時間三個D觸發器重定為邏輯０，即邊沿觸發運算單元輸出為零，所有LED模組中的各個LED都為暗。LED的點亮情況如下：
在邊沿信號的上升沿E1處，運算結果為二進位001，LED模組MODULE0 、MODULE3 和MODULE6 中紅光LED亮，LED模組MODULE1 和MODULE4 、MODULE7 中藍光LED亮，LED模組MODULE2 、MODULE5 和MODULE8 中綠光LED亮；
在電源線上升沿E2，運算結果為二進位010，LED模組MODULE0 、MODULE3 和MODULE6 中綠光LED亮，LED模組MODULE1 、MODULE4 中MODULE7 中紅光LED亮，LED模組MODULE2 、MODULE5 和MODULE8 中藍光LED亮；
在電源線上升沿E3，運算結果為二進位011，LED模組MODULE0 、MODULE3 和MODULE6 中紅光LED和綠光LED亮，LED模組MODULE1 、MODULE4 和MODULE7 中紅光LED和藍光LED亮，LED模組MODULE2 、MODULE5 和MODULE8 中藍色LED和綠光LED亮；
在電源線上升沿E4，運算結果為二進位100，LED模組MODULE0 、MODULE3 和MODULE6 中藍光LED亮，LED模組MODULE1 、MODULE4 和MODULE7 中綠光LED亮，LED模組MODULE2 、MODULE5 和MODULE8 中紅光LED亮；
在電源線上升沿E5，運算結果為二進位101，LED模組MODULE0 、MODULE3 和MODULE6 中紅光LED和藍光LED亮，LED模組MODULE1 、MODULE4 和MODULE7 中綠光LED和藍光LED亮，LED模組MODULE2 、MODULE5 和MODULE8 中紅光LED和綠光LED亮；
在電源線上升沿E6，運算結果為二進位110，LED模組MODULE0 、MODULE3 和MODULE6 中藍光LED和綠光LED亮，LED模組MODULE1 、MODULE4 和MODULE7 中綠光LED、紅光LED亮，LED模組MODULE2 、MODULE5 和MODULE8 中紅光LED和藍光LED亮；
在電源線上升沿E7，運算結果為二進位111，所有LED模組中紅光LED、綠光LED、藍光LED都亮；
在電源線上升沿E8，運算裝置溢出，運算結果為二進位000，所有LED模組的紅光LED、綠光LED、藍光LED都暗。
本實施例的LED彩燈裝置在實現彩燈控制時，通過邊沿信號發生器中的控制電路，生成邊沿信號並載入至電源線上，以點亮LED組中相應的顏色的LED，實現不同的彩燈效果。
通過控制載入在電源線上的邊沿信號控制每個彩燈組實現紅、綠、藍、紅綠、紅藍、綠藍、紅綠藍、全暗，也就是7種彩色、全暗共計8種顏色模式。通過控制圖7中各個上升沿後的高電平維持時間為1秒，就可獲得間隔1秒的7彩色跳變。改變圖7中各個上升沿後的高電平維持時間，就可以獲得相應速度的七彩色跳變。
例如：在運算結果範圍0~7中選擇1、2、4，並設置對應的高電平維持時間都為1秒，本實施例中運算結果對應的顏色模式集合為{紅、綠、藍}。在邊沿觸發運算單元輸出為零，模組MODULE0 的三個LED都為暗的狀態下，如圖7所示載入低電平時間為100ns的上升沿E1， LED驅動器運算結果為1維持高電平時間1秒；載入低電平時間為100ns的上升沿E2，LED驅動器運算結果為2維持高電平時間1秒；載入低電平時間為100ns的上升沿E3 ，LED驅動器運算結果為3，維持高電平時間100ns，載入低電平時間為100ns的上升沿E4 ，LED驅動器運算結果為4維持高電平時間1秒鐘。通過上述方式，因為人眼對短時間無法分辨（即人眼的視覺暫留效應），本實施例彩燈組MODULE0 得到紅色、綠色、藍色三種顏色間隔時間1秒的三色跳變。進一步，通過設置邊沿信號後高電平時間長短獲得邊沿信號間隔時間對應速度的三色跳變。
通過上述方式實現LED驅動器運算結果依次從1→2→4的跳變，LED彩燈組MODULE0 、MODULE3 、MODULE6 顏色模式變化從紅→綠→藍，彩燈組MODULE1 、MODULE4 、MODULE7 顏色模式變化從藍→紅→綠，LED彩燈組MODULE2 、MODULE5 、MODULE8 顏色模式變化從綠→藍→紅，整個燈串在視覺效果上獲得紅、藍、綠三色的流水效果。進一步，通過設置邊沿信號後高電平時間長短獲得邊沿信號間隔時間對應速度的流水效果。為保證運算過程中，初始化單元和邊沿觸發運算單元能夠正常供電，邊沿信號中低電平的持續時長必須小於充電單元中儲能元件C由高電平放電至低電平的放電時長。
此外，由於二極體的單嚮導通作用，放電時充電電容不會對電源線進行反向放電。
本實施例中未作特殊說明，高電平對應的電壓幅值為3.0~5V，低電平小於1.0V。
本實施例的LED驅動器僅利用一根電源線輸入邊沿信號，通過對邊沿信號進行運算，使控制驅動單元驅動完成LED的七彩色發光、七彩色組合跳變、流水效果，不需要使用多於一根的信號線傳遞控制信號。
以上所述的具體實施方式對本發明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的最優選實施例，並不用於限制本發明，凡在本發明的原則範圍內所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發明的保護範圍之內，如：在電源線與邊沿觸發運算單元的D觸發器時鐘信號輸入端之間增加濾波電路、延遲電路或取反電路，算數邏輯單位為隱含B組輸入端的加法電路或減法電路等。
MCU‧‧‧微處理器
MODULE0、MODULE1、MODULE2、MODULE3、MODULE4、MODULE5、MODULE6、MODULE7、MODULE8‧‧‧LED模組
R‧‧‧紅光LED
G‧‧‧綠光LED
B‧‧‧藍光LED
D1、D2、D3‧‧‧D觸發器
F1‧‧‧第一D觸發器
F2‧‧‧第二D觸發器
F3‧‧‧第三D觸發器
Q1、Q2、Q3‧‧‧正向輸出端
RD1、RD2、RD3‧‧‧復位端
CK1、CK2、CK3‧‧‧時鐘信號輸入端
A1、A2、A3‧‧‧A組輸入端
B1、B2、B3‧‧‧B組輸入端
C1、C2、C3。‧‧‧輸出端
圖1為本實施例的基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置； 圖2為本實施例的LED模組中LED連接方式示意圖，其中（a）、（b）、（c）分別代表不同的連接方式； 圖3為本實施例的LED驅動器的結構框圖； 圖4為本實施例的邊沿觸發運算單元的電路原理圖； 圖5為本實施例的充電單元的電路原理圖； 圖6為本實施例的初始化單元的電路原理圖； 圖7為本實施例的電源線邊沿信號觸發的算數運算裝置的時序圖。
MCU‧‧‧微處理器
MODULE0、MODULE1、MODULE2、MODULE3、MODULE4、MODULE5、MODULE6、MODULE7、MODULE8‧‧‧LED模組

Claims (18)

  1. 一種基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，包括：邊沿信號發生器，用於生成邊沿信號並將所述的邊沿信號載入在電源線上輸出；若干LED模組，每個LED模組包括一個LED彩燈組和用於根據電源線輸出的邊沿信號驅動該LED彩燈組的LED驅動器；所述的電源線為所述LED驅動器供電並為所述LED驅動器傳輸時鐘信號。
  2. 如請求項1所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的邊沿信號發生器包括可控開關和與可控開關的控制端連接的控制電路，所述可控開關的輸入端接直流電源，輸出端接所述的電源線。
  3. 如請求項2所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述可控開關的輸出端還連接有下拉電路。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述LED驅動器包括：邊沿觸發運算單元，由來自所述電源線的邊沿信號觸發進行運算，並輸出運算結果；充電單元，用於根據電源線輸入的邊沿信號為邊沿觸發運算單元提供供電電平，當所述的邊沿信號為高電平時充電，當邊沿信號為低電平時放電；初始化單元，用於根據所述的供電電平對邊沿觸發運算單元進行初始化。
  5. 如請求項4所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述邊沿觸發運算單元，由電源線邊沿信號觸發進行算術邏輯運算，並輸出運算結果。
  6. 如請求項5所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的邊沿觸發運算單元包括n個觸發器和一個k位算數邏輯單位，以觸發器的輸出端輸出運算結果。
  7. 如請求項6所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的觸發器為D觸發器。
  8. 如請求項7所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的邊沿觸發運算單元包括n個並聯的D觸發器和一個k位算數邏輯單位，所述的n和所述的k為相等值，以D觸發器的輸出端輸出運算結果，其中：各個D觸發器的觸發端分別與算數邏輯單位相應位的輸出端連接；各個D觸發器的重定端與初始化單元連接，時鐘信號輸入端與電源線連接；算數邏輯單位的A組輸入端分別與相應位的D觸發器的輸出端連接，B組輸入端外接模式控制常量。
  9. 如請求項4所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述邊沿觸發運算單元為邊沿計數單元，用於對電源線輸入的邊沿信號的邊沿進行計數，並輸出計數結果。
  10. 如請求項9所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的邊沿計數單元包括若干個觸發器，以觸發器的輸出端輸出所述的計數結果。
  11. 如請求項10所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的觸發器為D觸發器。
  12. 如請求項11所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的邊沿計數單元包括若干個串聯的D觸發器，以D觸發器的輸出端輸出計數結果，其中：第一個D觸發器的時鐘信號輸入端與所述的電源線連接，相鄰兩個D觸發器中，後一個D觸發器的時鐘信號輸入端與前一個D觸發器的反向輸出端連接；各個D觸發器的復位端與所述的初始化單元連接，反向輸出端與觸發端連接；各個D觸發器的復位端或置位元端與初始化單元連接，時鐘信號輸入端與電源線連接。
  13. 如請求項4所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述邊沿觸發運算單元為邊沿觸發移位元單元，由電源線邊沿信號觸發進行移位元，並輸出移位結果。
  14. 如請求項13所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的邊沿觸發移位元單元，包括至少兩個觸發器，以觸發器的輸出端輸出移位結果。
  15. 如請求項14所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的邊沿觸發移位元單元，包括至少兩個串聯的D觸發器，以D觸發器的輸出端輸出移位結果，其中： 第一個D觸發器的觸發端與最後一個D觸發器的輸出端連接，相鄰兩個D觸發器中，後一個D觸發器的觸發端與前一個D觸發器的輸出端連接；各個D觸發器的復位端或置位元端與初始化單元連接，時鐘信號輸入端與電源線連接。
  16. 如請求項4所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的充電單元包括單向導電元件，所述單向導電元件的陽極與電源線連接，陰極通過一儲能元件接地，所述的充電單元通過單向導電元件的陰極為邊沿觸發運算單元和初始化單元提供供電電平。
  17. 如請求項16所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述LED彩燈組包括n個LED，相對於所述LED驅動器的n個輸出端，所述LED彩燈組具有連接方式是A(n,n)排列數中的一種連接方式；連接時，n個LED的陽極共同連接在所述LED模組的電源端，n個不同顏色的LED的陰極分別連接在所述LED驅動器的n個輸出端。
  18. 如請求項17所述之基於電源線邊沿信號控制的彩燈裝置，其中，所述的LED驅動器還包括LED驅動電路，所述的LED驅動電路的輸入端與邊沿觸發運算單元的輸出端連接，輸出端與相應的LED連接以驅動相應的LED。
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