基于CPLD的LED景觀燈智能控制系統

王淑凡 ，牛萍娟 ，徐秀知 ，3，王 巍

（1.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津 300387；3.天津工業大學大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心，天津 300387）

基于CPLD的LED景觀燈智能控制系統

王淑凡1，牛萍娟2，3，徐秀知1，3，王 巍2，3

（1.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津 300387；3.天津工業大學大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心，天津 300387）

針對傳統的LED景觀燈控制系統控制燈數量少、無法實現柔和漸變效果等問題，提出了一種多參數可編程的LED景觀燈控制系統，基于CPLD設計了控制系統的控制盒；根據實際情況設定了場景數據的傳輸協議，并用QuartusII軟件進行了功能仿真.仿真結果表明：該系統可實現不同地址的LED景觀燈在256級灰度調制范圍內以不同的速度變化等級達到預設的亮度級別，并輸出紅、綠、藍三基色相應的PWM占空比信號，最終實現景觀燈柔和漸變的效果.

CPLD；LED景觀燈；智能控制；PWM

LED景觀燈由于其燈光色彩豐富、功耗小、造價低以及控制簡單等特點，漸漸遍及城市的各個角落，用LED燈來裝飾街道和城市建筑物越來越成為一種時尚.傳統意義上的景觀燈用控制盒或單片機進行控制，燈的變化方式單一，而且單片機控制系統速度有限，無法滿足數據高速傳輸的要求.特別是當LED燈進行較長時間漸變時，會導致整個漸變過程有非常明顯的跳躍現象[1-2].為了使LED景觀燈肉眼看上去沒有跳躍現象，達到柔和漸變的效果，本文設計了一種基于CPLD的LED景觀燈智能控制系統，該系統可對256盞LED景觀燈實行智能控制，使其在256級灰度調制范圍內以不同的亮度變化速率達到燈具預設的亮度級別，最終實現景觀燈柔和漸變的效果.

1 系統設計方案

在景觀燈中，每個像素點由紅、綠、藍3種顏色的LED組成，假如每個LED可實現256級灰度顯示，那么一個像素點就能夠實現在256×256×256種色彩范圍內變化.在景觀照明中，灰度是顯示色彩數的決定因素.一般灰度等級越高，色彩表現越豐富.在對LED景觀燈的調控過程中，實現LED的灰度級就是使LED按不同灰度發出不同強度的光，主要通過控制占空比來實現.由于LED的亮度與它點亮的時間長短有關，因此可以通過輸出3種不同占空比的PWM信號來控制景觀燈紅、綠、藍三基色，從而實現景觀燈的多彩效果[3].

LED景觀照明系統簡圖如圖1所示，景觀燈的控制盒根據場景數據等信息，通過內部的可編程邏輯設計，產生可控制景觀燈紅、綠、藍三基色的不同占空比PWM信號.

為了避免景觀燈進行多彩變化時發生跳躍現象，實現柔和漸變的效果，鑒于系統的功能，采用3字節24位表示場景數據的傳輸代碼，各位代碼代表的意義如圖2所示.

圖2中，CMD23～CMD16表示燈具地址，能滿足最多256盞燈具的需求；CMD15～CMD13表示紅、綠、藍像素點的升降信號，當升降信號為1時表示從當前亮度到目標亮度是升的過程，升降信號為0時表示從當前亮度到目標亮度是降的過程；CMD12表示讀寫信號，該位為1時進行讀操作，為0時進行寫操作；CMD11～CMD9為速度等級信號，共有8個等級，每個等級代表的含義如表1所示；CMD8～CMD0表示紅、綠、藍各色的最終亮度信號，每3位代表一種顏色的二進制值.

表1 速度級別列表Tab.1 Speed level list

本系統設計任務為：接收LED景觀燈的場景數據，并根據所定義的傳輸協議按照表2查找R、G、B二進制所對應的PWM值，通過可編程邏輯設計實現相應的功能模塊，使不同地址的LED景觀燈紅、綠、藍三種顏色分別按照預定的亮度變化速率達到場景數據傳輸協議所要求的相應PWM值，實現景觀燈的柔和漸變，并能根據要求將燈具狀態返回，以使其能提出更合適的控制方案[4].

表2R、G、B二進制值與對應的PWM值Tab.2 R，G，B binary value and corresponding PWM value

鑒于該系統的功能要求和控制方法，本文將該系統分為4大模塊：通信模塊（接收、發送模塊）、紅綠藍預處理模塊、對應的執行模塊（寫入模塊）以及PWM發生模塊.系統框圖如圖3所示[5].

系統的工作過程如下：接收模塊接收場景數據，傳遞給數據預處理模塊.預處理模塊首先根據地址信息判斷信號是否發給指定景觀燈，即判斷地址信號是否相符.若不符則終止操作，若相符則繼續判斷是進行讀操作還是進行寫操作.若是讀操作，則程序轉入發送模塊，將景觀燈當前狀態返回；若是寫操作，則程序轉入各像素點的執行模塊，根據場景數據RGB二進制值、升降信號、轉換速率和3種顏色最終亮度等信息得到對應三基色的PWM控制信號，再由各自的PWM發送模塊產生不同占空比的PWM信號來控制LED景觀燈，使其實現柔和漸變的效果.

2 系統分模塊設計

該智能控制系統各分模塊設計如下：

（1）通信模塊.主要接收場景數據和發送LED景觀燈當前的狀態，由發送子模塊和接收子模塊組成.在該模塊中，rxd_clk標記為模塊的時鐘信號；txd_cs為模塊的使能信號，sdata為串行輸入信號；sys_rst為系統復位信號；q[23..0]為并行指令輸出信號.

（2）紅、綠、藍預處理模塊.對通信模塊接收到的場景數據進行預處理，使得執行模塊能夠正確的執行上級發送的命令.該模塊中，由8位比較器將場景數據的地址信號adressin[7..0]與預設的地址adress[7..0]進行比較，相等則輸出高電平，與讀寫信號rw進行與操作，當rw為1時進行寫操作，同時輸出讀寫控制信號rw_out到發送模塊進行讀寫操作.Inc[7..0]標記為LED亮度變化信號，由速度等級speed[2..0]控制，代表每個周期LED亮度變化值.

（3）執行模塊.主要執行預處理模塊處理后得到的指令，根據場景數據RGB二進制值、升降信號、轉換速率和最終亮度等信息轉化為各像素點紅、綠、藍3種顏色的PWM占空比信號，對輸出的占空比信號標記為pwmctrl，并將其輸入到對應的PWM模塊，實現對LED景觀燈柔和漸變的控制[6].

（4）PWM模塊.主要實現PWM信號的輸出，由8位計數器對clk信號進行0～255循環計數，比較器將計數結果q與PWM控制信號pwmctrl進行比較.當q值小于pwmctrl時輸出為1，反之則輸出為0.

3 仿真結果

系統工作時鐘sys_clk信號周期設為1 μs，rxd_clk為接收模塊時鐘信號，該信號長度為24個周期并且與系統時鐘周期相同.cs為接收片選信號，該信號持續24個周期的高電平，為接收模塊提供使能信號，接收結束后該信號變為低電平.當rxd_clk和cs同時存在時接收模塊開始工作.sdata為傳輸過程中的串行信號，長度為24個時鐘周期，每個周期代表并行信號中的一位.根據場景數據協議的要求，傳輸順序是從低位到高位.q為接收模塊將串行信號轉換成的24位并行信號.

對系統作如下仿真：首先假定場景數據的傳輸協議為 010010111110010101100011，即要求地址為01001011的景觀燈的紅、綠、藍3種顏色按照速度等級010從亮度等級0分別上升至對應的亮度等級，仿真結果如圖4所示.其次，將場景數據協議修改為010010110000001010011001，要求紅、綠、藍3種顏色在圖4的仿真基礎上按照速度等級001分別降至相應的亮度等級，仿真結果如圖5所示.

從仿真結果可以看出，sdata輸入數據與q所輸出的數據是一致的，未出現任何偏差.根據所設計的系統工作原理及場景數據傳輸協議可以明顯看出：圖4中地址為01001011的像素點R、G、B的三基色PWM信號按照速度等級010逐漸升高至所預設的各顏色的亮度值（R占空比180/256、G占空比144/256、B占空比108/256）.圖5中該地址的像素點R、G、B三基色PWM信號按照速度等級001逐漸降低至所設置的各亮度值（R占空比36/256、G占空比108/256、B占空比 72/256）.

4 結論

為了解決傳統的LED景觀燈調控技術簡單、控制方式單一等問題，本文設計了基于CPLD的LED景觀燈的控制系統，根據設定的功能對整個系統采用分層思想進行功能模塊的劃分，并給出了仿真結果，實現了對256盞LED景觀燈的智能控制，使其在256級灰度調制范圍內以不同的亮度變化速率達到燈具預設的亮度級別.從仿真結果可以看出，該系統可將各個模塊的功能有效地結合起來，使得不同地址的LED景觀燈實現柔和漸變的效果，有效地改善了景觀燈在多彩變化時容易出現的跳躍問題.

[1]潘宗樹.基于NiosII的SOPC系統設計與研究[D].武漢：武漢科技大學，2007.

[2]李 鴻.基于SOPC的全彩色LED景觀燈控制系統設計[J].電子測量技術，2009，32（8）：148-151.

[3]朱繼紅.LED在景觀照明中的基本混光方式[J].照明工程學報，2008，19（9）：26-29.

[4]郭寶增，鄧淳苗.基于FPGA的LED顯示屏控制系統的設計[J].液晶與顯示，2010，25（6）：424-428.

[5]鄧宏貴，鄧淳苗，曹文暉，等.基于PWM的LED顯示屏像素亮度控制方法[J].光電子技術，2010，30（2）：131-134.

[6]張海輝，楊 青，胡 瑾，等.可控LED亮度的植物自適應精準補光系統[J].農業工程學報，2011，27（9）：153-158.

Intelligent control system of LED landscape lamp based on CPLD

WANG Shu-fan1，NIU Ping-juan2，3，XU Xiu-zhi1，3，WANG Wei2，3
（1.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Aiming at the existing problems of traditional LED landscape lamps which the number of lamps controlled is less，and the effect of soft change can not be achieved，a multi-parameter programmable control system of LED landscape lamp is proposed.In the control system，the control box is designed based on complex programmable logic device （CPLD）.According to the actual situation， the scene data transfer protocol is set， function and timing simulation is done to the control system using QuartusII software.The results show that the system can control different address LED lamps to reach the present light intensity gray value in a certain rate，and the brightness is changed in the range of 256 level gray modulation.Finally，the corresponding PWM control signals of red，green and blue tricolor are output，to reach the effect of soft change.

complex programmable logic device（CPLD）；LED landscape lamp；intelligent control；PWM

TN873

A

1671－024X（2012）04－0054－03

2012-02-28 基金項目：天津市科技支撐計劃重點項目（10ZCGYGX18300）

王淑凡（1987—），女，碩士研究生.

牛萍娟（1973—），女，博士，教授，碩士生導師.E-mail：pjniu@hotmail.com