基于ZibBee控制的高動態范圍LED模擬調光裝置設計

蔣曉波 韓 凱 沈海平 劉木清

(復旦大學光源與照明工程系，上海200433)

1 引言

由于發光二級管(LED)技術的不斷發展，LED由于其光效高，響應速度快，亮度調節范圍廣，正逐步地應用于信號，顯示，照明和機器視覺辨認等各種領域［1］。而常用的LED亮度控制方式主要是模擬調光和數字調光(PWM)。比起現有的模擬調光，數字調光能取得一個更高的調光比和電流精度，應用更為廣泛。在普通照明中，PWM調光的開關頻率一般在幾百到幾千赫茲之間，可以有效的避免人眼可見的閃爍。但在機器視覺辨認和工業檢驗等領域，由于使用的高速攝像機和傳感器響應速度速度比人眼快很多，因此在這些領域使用PWM調光必須增加開關頻率到幾十千甚至更高，實現較為復雜，而模擬調光卻沒有這方面的問題。

本文通過可變降壓和線性調光的兩級電路實現了高效、準確、高動態范圍的模擬調光輸出，并使用TI的C2430芯片來實現輸出亮度調節和無線控制的功能，特別適合用于上述的機器視覺辨認等高響應速率的應用場合。

2 高動態范圍模擬調光電路

2.1 概述

常見的LED恒流電路有以下兩種:線性恒流電路和開關恒流電路［2］。線性恒流電路通過監控采樣電阻上的電壓，動態地調節三極管的導通程度，控制電流，并將輸入電壓高于LED串電壓的部分承擔。而開關恒流電路則在其不同拓撲結構下，調節開關導通的占空比來調節輸出，同樣得到恒流的效果。相比而言，如果輸入電壓和燈串電壓差別較大時，在大電流下線性電路三極管的壓降會造成較大的功率損耗，導致較低的效率。

圖1 線性恒流電路

圖2 開關恒流電路

2.2 具體電路設計

現有的開關電源控制芯片也有提供模擬調光功能，但是調光比都很小，一般在幾十左右，是作為PWM調光的一個補充，這個調光比和前述機器視覺辨認的要求差距較大。針對上述情況，本文重新對線性恒流電路進行了改進，在這部分電路前增加了可變降壓電路，用于匹配輸入電壓和LED燈串電壓，提高效率;同時使用高精度的D/A來控制電流輸出，得到一個較高的模擬調光比。整個電路系統結構如圖3，在AC/DC電源的輸出總線上可以掛載多于一路的可調恒流電路，通過ZigBee模塊進行輸出電流控制，保證每一路輸出的電流準確，可調。

圖3 電路結構示意圖

可變降壓電路的輸入使用AC/DC電源提供的48V總線，這部分電路根據后接的LED顆數多少和輸出電流大小，動態調節輸出，使其輸出電壓和LED燈串電壓的差額保持較小的水平，從而減小大電流下三極管的損耗。這里本文使用National Sem iconductor公司的LM5010降壓芯片來搭建可變降壓電路［3］，原理圖見圖4:

圖4 使用LM5010搭建的可變降壓電路

LM5010是一個恒定導通時間的Buck控制芯片。R1和R2組成電壓反饋電路，將輸出電壓進行分壓后輸入至FB腳上。每當FB腳上電壓低于2.5V時，芯片內部的開關會固定的導通一段時間，導通時間與輸入電壓和Ron有關，之后開關會關斷265ns或直至FB腳上電壓下降到2.5V以下。電路通過(R1+R2)/R2·VFB來設定最大輸出電壓。另一方面，為了降低在三極管的功率損耗，我們同時監測采集三極管和采樣電阻的壓降和，并使用LM358進行正向放大后通過D2輸入到FB腳上。因此在三極管和采樣電阻上的壓降總和就不會大于Vdrop=(VFB+VD2)×R3/(R3+R4)。因此當LED

燈串上的電壓小于LM5010的最大輸出電壓時，多余的電壓就會由三極管和采樣電阻承擔，當這個電壓經過放大后大于FB腳的閾值時，LM5010延長開關關斷時間，使輸出電壓下降，因此最終的Vout=Vled+Vdrop。從而在LED顆數比設計值少或者在對LED進行調光時，前端輸出的電壓能夠更合理的匹配燈串電壓，具體見表1和表2。

表1 輸出500m A下不同LED顆數的可變降壓電路輸出和LED燈串電壓比較

表2 13顆LED在不同輸出電流下的可變降壓電路輸出和LED燈串電壓比較

圖4中三極管的基極旁邊的方塊便是電流控制電路，具體結構見下圖5。電流主要是通過Analog Device的AD5611來控制［4］，這是一款10位的數模轉換芯片，使用基準電源的輸出直接供電，上位機CC2430可以使用SPI接口進行輸出電壓的編程。芯片的輸出和采樣電阻上的電壓分別接到LM358的5和6腳，運放作為開環放大器來使用。放大器將兩個輸入的偏差進行放大來控制三極管導通程度，進而控制LED串的電流，并最終使開環輸入的兩個電壓相等，此時滿足下式:Rsen×ILED=VA/D·R6/(R5+R6)。電路中的R5和R6主要是將A/D轉換器的輸出電壓進行分壓，以便能使用更小的采樣電阻，提高效率。考慮到D/A芯片的位數和整體的精度，本文中的線性電流控制電路能做到500∶1的輸出電流比。

圖5 利用AD5611搭建的模擬調光電路

3 ZigBee控制及監測

3.1 硬件設計

無線通信控制模塊使用的是Texas Instruments的CC2430-F128芯片，這款芯片專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用。芯片內部結合了一個CC2420無線電內核，增強的8051MCU，128KB的系統可編程閃存，8KB的SRAM，8路8～14位的ADC，4個定時器，2個串行通信接口模塊，AES協同處理器，看門狗定時器，上電復位電路，掉電檢測電路和21個通用IO口［5］，如圖6所示。

圖6 CC2430芯片的內部結構框圖

如圖3所示，CC2430芯片通過AC/DC電源供電，并承擔著輸出電流控制和電路狀態監測的功能。供電時通過maxim的max5033開關芯片降為5V，再由TPS79533降為穩定的3.3V進行供電。電流控制是通過SPI接口和前述的AD5611進行通訊，根據期望的輸出電流值來相應調節D/A的輸出電壓。需要注意的是，在輸出電流很低的時候，會出現輸入AD5611的數字值和最后輸出的電流值不成線性比例的情況，這是由于此時D/A輸出電壓過小，受到D/A轉換誤差、線路壓降等影響較大，需在程序中進行修正。

而監控電路見圖7，本文中，芯片通過兩路ADC分別對AC/DC的輸出電壓和輸出電流進行監控。電壓的監控是通過R11和R12電阻進行分壓，之后又P0.7腳進行采樣。電流的監控是通過MAX4080芯片，這是一塊固定增益的高端電流探測芯片，可以直接在高壓端取電，假設增益為A，那么P0.6腳進行ADC轉換得到的電壓和監控的電流之間的關系見下式:

通過內部程序的轉換就可得到實際的電流。同時本文在AC/DC電路和后端的恒流驅動電路之間加入了一個繼電器U2，由CC2430的P0.5腳進行開關控制，可以在必要的時候切斷恒流部分的供電。

圖7 電壓、電流監控的電路圖

3.2 軟件設計

本文設計的裝置主要分布在距離主控制器不同距離的幾個位置，每個位置各有不同數量的裝置，由于每個位置處的裝置都相距不遠，裝置之間也沒有信息交互，因此就直接采用星狀的網絡拓撲［6］。拓撲結構見圖8，位于整個ZigBee網絡中心的是ZigBee無線網關，無線網關起著與主控制計算機通信和ZigBee網絡協調器的功能。而本文所述的調光裝置則是作為ZigBee終端節點，終端節點負責接收無線網關的調光和查詢指令，作出相應的調光和狀態反饋。

調光裝置內部的終端節點工作流程如下:終端節點首先等待無線網關建立網絡，之后申請加入該個域網，等待協調器分配16位的短地址，申請通過之后進入綁定流程，將終端節點和協調器進行綁定［7］。由于每次網絡啟動分配的短地址具有隨機性，因此在設備內部另外固化了個體識別地址，用于表示所處的地域和序號。之后終端節點進入等待狀態，并定時監控自身的電壓電流參數，并將可能出現的異常上報。當主控計算機想要對單個終端節點調光時，就會對特定的ZigBee無線網關發送命令數據包，包含有調光類型，ZigBee個體識別地址和調光數值，之后特定的終端節點便能接收到無線網關通過協調器傳達的命令數據，通過SPI接口向A/D轉換器傳達，最終調節電流到特定的值。

圖8 調光系統拓撲結構

4 總結

針對某些應用高速傳感器的需要調光的場合，本文對LED線性驅動電路進行了重新設計，加入了可變降壓電路，提高了線性驅動電路的效率，并實現了500∶1的模擬調光。同時使用ZigBee芯片實現調光，狀態監測和無線控制，作為節點給遠程監控提供了有力的支持。

［1］唐向陽，張勇，李江有等.機器視覺關鍵技術的現狀及應用展望［J］.昆明理工大學學報(理工版)，2004，29(2):36～39.

［2］張祥東，閻麗永，夏偉等.HB-LED驅動方法綜述上［J］.中國照明電器，2009，12:17～19.

［3］LM 5010 Datasheet［EB/OL］http://www.national.com.

［4］AD5611 Datasheet［EB/OL］http://www.analog.com.

［5］CC2430 Datasheet［EB/OL］http://www.ti.com.

［6］瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用［M］.北京.北京航空航天大學出版社.2007.9

［7］ZigBee Alliance.ZigBee Specification 1.0［EB/OL］.http://www.zigbee.org.