基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動(dòng)LM3409HV的LED調(diào)光系統(tǒng)

李慧 吳建德 鄧焰 何湘寧

(浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027)

1 引言

近年來，LED照明產(chǎn)業(yè)正在世界范圍內(nèi)引發(fā)一場劃時(shí)代的綠色照明革命和能源革命，日益顯示出巨大的產(chǎn)業(yè)前景。與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈照明相比，LED具有高效率、低功耗、低電壓驅(qū)動(dòng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此LED被越來越廣泛地應(yīng)用于各種照明場合。LED具有一個(gè)顯著的不同點(diǎn)，LED的發(fā)光亮度與流過LED正向電流的大小基本成正比例關(guān)系［1］。利用這個(gè)特點(diǎn)，可通過改變流過 LED的電流改變LED的亮度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

Zigbee技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［2］。本文提出了一種通過Zigbee無線通信技術(shù)對LED進(jìn)行開關(guān)和調(diào)光控制，為LED等的控制提供了一種更加便捷的新方法。其中LED驅(qū)動(dòng)部分采用美國國家半導(dǎo)體公司的LM3409HV、通信部分采用華立的HT-MDL-Z-EM-2400-021-A-V1.3.0 Zigbee模塊。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，左邊是一個(gè)鍵盤，用來輸入控制信號(hào)，右邊是LED驅(qū)動(dòng)部分。在鍵盤端裝有Zigbee協(xié)調(diào)器模塊，上電后負(fù)責(zé)組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)和傳送控制信號(hào)給LED驅(qū)動(dòng)部分的路由器。控制信號(hào)是通過單片機(jī)的I/O口輸入的，單片機(jī)掃描I/O口，將I/O口的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過串口通信將其傳送到Zigbee協(xié)調(diào)器模塊進(jìn)行發(fā)送。通過鍵盤可實(shí)現(xiàn)對LED進(jìn)行開、關(guān)、調(diào)亮、調(diào)暗控制。

LED驅(qū)動(dòng)模塊中，Zigbee路由器模塊接收到協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)包時(shí)直接通過UART口傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)，單片機(jī)要讀取數(shù)據(jù)包中的控制信號(hào)，并輸出相應(yīng)的PWM調(diào)光信號(hào)給 LED驅(qū)動(dòng)芯片 LM3409HV。LM3409HV根據(jù)PWM信號(hào)使能或者禁止電流流過LED串。不同的PWM占空比可以控制一個(gè)周期內(nèi)使能電流流過LED串的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光的功能。

3 Zigbee概述

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中主要包括三種類型的設(shè)備，分別為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器、葉節(jié)點(diǎn)。其中，一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)有且僅需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，上電后它負(fù)責(zé)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并等待路由器或者葉節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)，給網(wǎng)絡(luò)中的路由器分配個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符(PANID)，并與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備進(jìn)行通信。路由器具有路由功能，當(dāng)它加入到某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中后，允許其他設(shè)備向其申請加入到網(wǎng)絡(luò)中。而葉節(jié)點(diǎn)只能進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。本文在通信部分采用華立的HT-MDL-Z-EM-2400-021-A-V1.3.0 Zigbee 模 塊，LED驅(qū)動(dòng)模塊部分采用Zigbee路由器通信。

為使整個(gè)通信系統(tǒng)可以正確運(yùn)行，必須利用華立公司的 “AT-Commands User's Manual”對 Zigbee模塊進(jìn)行一些配置，其中一些基本的配置步驟如下:第一，配置串口通信的波特率和奇偶校驗(yàn)，必須注意的是，本文所提出的系統(tǒng)，Zigbee模塊所接收或者發(fā)送的信息，都是通過其UART(通用異步接收/發(fā)送裝置)直接與單片機(jī)的USART(通用同步/異步串行接收器和發(fā)送器)進(jìn)行通信，所以必須將Zigbee模塊UART的波特率和奇偶校驗(yàn)與單片機(jī)的USART設(shè)置保持一致，否則無法進(jìn)行通信。第二，Zigbee通信的頻帶和信道的選擇。2.4GHz是全球通用的頻帶，里面包括16個(gè)信道。第三，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與其他設(shè)備之間的通信設(shè)置為廣播通信方式，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的信息，每個(gè)路由器或者葉節(jié)點(diǎn)都可以收到，這樣就可以在傳送的數(shù)據(jù)串中加入地址信息，然后在與路由器或者葉節(jié)點(diǎn)相連的單片機(jī)I/O口用撥碼開關(guān)定義Zigbee模塊的地址，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷數(shù)據(jù)串中的地址信息與從撥碼開關(guān)讀入的地址是否一致，一致的話再進(jìn)行其他的命令操作，否則丟棄此次接收到的數(shù)據(jù)。由于Zigbee內(nèi)部的通信是靠PANID(個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符)來識(shí)別的，通常用戶不知道這個(gè)標(biāo)識(shí)符，通過以上方法定義地址，用戶就無需知道內(nèi)部標(biāo)識(shí)符，而且當(dāng)接收模塊需要更換時(shí)，也不會(huì)因?yàn)椴恢榔鋬?nèi)部標(biāo)識(shí)符而無法對其進(jìn)行單點(diǎn)控制，使用起來既方便又簡單。

4 LM3409HV

LM3409HV是一種由P溝道MosFET控制 buck型電流控制器。LM3409HV具有輸入電壓范圍寬，低可調(diào)門檻電壓的高端電流檢測、快速輸出使能/禁止、加強(qiáng)散熱的封裝等特點(diǎn)，適合作為恒流源驅(qū)動(dòng)LED。LM3409HV使用恒關(guān)斷時(shí)間 (COFT)控制來調(diào)節(jié)電流而不需要外部的補(bǔ)償回路。

圖2所示為LM3409HV的典型應(yīng)用圖。其中EN腳用于接收PWM調(diào)光信號(hào)，COFF腳通過外圍的ROFF和 COFF設(shè)置關(guān)斷時(shí)間，UVLO通過 RUV1和RUV2從輸入分壓進(jìn)行欠電壓鎖定，檢測電阻RSNS用于MOS管的峰值電流檢測，PGATE用于驅(qū)動(dòng)外圍電路的P-MosFET。

圖2 LM3409HV典型應(yīng)用圖

圖3所示為LM3409HV的恒關(guān)斷時(shí)間控制電路圖。在一個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，開關(guān)管開通，電感電流增加。當(dāng)峰值電流被檢測到時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷。開關(guān)管開通時(shí)，電容COFF兩端的電壓為零，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，VO對 COFF進(jìn)行充電，當(dāng) VCOFF的電壓達(dá)到門檻電壓1.24V時(shí)，關(guān)斷時(shí)間結(jié)束，開關(guān)管重新開通，VCOFF復(fù)位到零。根據(jù)電路圖，tOFF的計(jì)算公式如下:

雖然TOFF的計(jì)算公式不是線性的，但是當(dāng)tOFFROFF×COFF(等效于VO1.24V)，tOFF可近似表達(dá)為:

由于電流是恒定的，VO也會(huì)保持恒定，故tOFF可近似看成一個(gè)常數(shù)。

圖3 恒關(guān)斷時(shí)間控制原理圖

圖4所示為LM3409HV內(nèi)部的PWM調(diào)光原理圖。圖中的脈沖波形表示的是從EN腳輸入的PWM調(diào)光信號(hào)。PWM調(diào)光方法，實(shí)際上是在小段時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)和重新啟動(dòng)LED電流。這個(gè)啟動(dòng)和重新啟動(dòng)循環(huán)的頻率必須快于人眼可以感知的速度，以免出現(xiàn)閃爍效果［3］。在 LM3409HV中，當(dāng) EN腳的輸入電平為低時(shí) (小于0.5V)，內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)就會(huì)被禁止，同時(shí)關(guān)斷了流過LED串的電流。當(dāng)EN腳的輸入電平達(dá)到高電平時(shí) (大于1.74V)，將會(huì)重新開通流過LED串的電流。由圖可得，調(diào)光后流過LED的電流可表示為:

式中 IDIM-LED——LED平均電流;

DDIM——調(diào)光波形的占空比;

ILED——選擇的負(fù)載LED的額定電流值。

雖然當(dāng)EN腳為低電平時(shí)，芯片內(nèi)部會(huì)關(guān)斷流過LED串的電流，但是由于電路中電感的原因，電流需要通過一段時(shí)間的續(xù)流才能到零。在BUCK電路中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感兩端的電壓為VO，因此圖4中的關(guān)斷延時(shí)時(shí)間tf可計(jì)算如下:

式中 Δipp——電感的紋波電流;

ILED——負(fù)載LED的額定電流。

從圖4中可以看出，為了能夠準(zhǔn)確地對LED的電流進(jìn)行調(diào)整，tf應(yīng)該滿足以下條件:

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)光頻率的選擇是很重要的。通常情況下，為防止出現(xiàn)震蕩，調(diào)光頻率至少要比固定開關(guān)頻率小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖4 PWM調(diào)光原理圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述的方案，本文做了一個(gè)樣機(jī)，并對其進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的一些基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

輸入電壓:VIN=48V，VIN－MAX=75V

開關(guān)頻率:fSW=200 kHz

調(diào)光頻率:fDIM=10 kHz

DC-DC模塊的拓?fù)?Buck

負(fù)載:12個(gè) (1W，350Ma)LED串聯(lián)

基于LM3409HV的LED無線調(diào)光系統(tǒng)如圖5，圖6所示。當(dāng)調(diào)光占空比如圖5(a)所示為10%時(shí)，LED燈的狀態(tài)如圖5(b)所示。當(dāng)調(diào)光占空比如圖6(a)所示為50%時(shí)，LED燈的狀態(tài)如圖6(b)所示。比較以上兩種情況可得，當(dāng)從EN腳輸入的PWM波的占空比越大時(shí)，LED燈的亮度越高。因此，如果需要進(jìn)行調(diào)光，改變輸入EN腳的PWM波形的占空比。而且，在本文中提出用Zigbee無線技術(shù)進(jìn)行調(diào)光，只需要在鍵盤處輸入所需要調(diào)光的占空比，Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就會(huì)負(fù)責(zé)將此控制信號(hào)傳送到與LED驅(qū)動(dòng)相連的路由器或者葉節(jié)點(diǎn)，并通過單片機(jī)讀取傳送的信息，單片機(jī)根據(jù)接收到數(shù)據(jù)串中的命令產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)給LM3409HV的EN腳，就可以實(shí)現(xiàn)對LED的調(diào)光。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對整個(gè)系統(tǒng)的操作既簡單又方便。

圖5

圖6

6 結(jié)論

由于無線通信技術(shù)可以不用固定電纜就可以在一個(gè)有限距離內(nèi)進(jìn)行傳送信息，因此應(yīng)用很方便。本文提出了運(yùn)用Zigbee無線通信技術(shù)進(jìn)行LED調(diào)光的系統(tǒng)，其中LED驅(qū)動(dòng)部分采用美國國家半導(dǎo)體公司的LM3409HV。在Zigbee通信部分，本文提出通過改變通信的數(shù)據(jù)串格式就可以從單片機(jī)外圍的撥碼開關(guān)進(jìn)行自主定義接收部分的地址。在LED驅(qū)動(dòng)部分，所選擇的LM3409HV采用的是恒關(guān)斷時(shí)間(COFT)的PWM控制方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種調(diào)光技術(shù)可對LED進(jìn)行準(zhǔn)確的恒流控制。整個(gè)調(diào)光系統(tǒng)操作簡單、方便。今后，可以通過增加路由器或者葉節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，對不同的LED串進(jìn)行調(diào)光控制，通過自定義地址，既可以對其進(jìn)行統(tǒng)一控制，還可以進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的單獨(dú)控制，是一種很有前景的調(diào)光控制系統(tǒng)。

［1］宋適，劉廷章，艾葉，許煒﹒基于AVR單片機(jī)的 LED自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)［J］．電氣自動(dòng)化﹒2009，31(1):33～35

［2］王海濤，朱兆優(yōu)﹒基于 Zigbee的 LED節(jié)能街燈控制系統(tǒng)［J］．東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)﹒2009，32(4)﹕ 394～396

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