基于ARM的舞臺LED燈具光色控制系統的研究

任慧，李舒偉，劉洋

( 1.中國傳媒大學 信息工程學院，北京100024；2.視聽技術與智能控制系統文化部重點實驗室，北京100024； 3.現代演藝技術北京市重點實驗室，北京100024)

1 引言

舞臺燈光源從早期的普通白熾燈，發展為高效的金屬鹵化物氣體光源、三基色熒光燈光源、微波耦合觸發光源、 LED光源，不斷地向高效節能綠色的方向發展。其中大功率LED光源依靠無污染、高光效、壽命長等特點有取代傳統光源的趨勢[1]。由于LED光源亮度和光譜以及視覺效應與傳統舞臺專業燈具的色光性能具有很大差異，因而無法應用于舞臺專業型聚光燈[2]。當前，白光LED光源合成方法主要有兩種：(1)采用冷白色LED加暖白色LED混合，制作高亮度的色溫可調的白光LED，但是以這種方法實現的白光LED的色度控制的準確性較差[3-4]；(2)采用紅綠藍LED混合成實現，并可對混合白光的色度進行準確的控制，然而這種方法由于其光譜中紅色成份相對較小，顯色指數仍與類似自然光源的鹵鎢燈有很大的差別[5-6]。為了解決以上問題，本文研究設計了一種舞臺LED燈具光色控制系統。該系統采用ARM微處理器作MCU，在實時操作系統μC/OS-Ⅲ的基礎上，采用PWM調光技術，依據RGBW四色LED混光模型，設計了擬合黑體軌跡的調光方法。同時，為了便于操作人員快速地使用四色LED模組調出所需的顏色，本系統設計還結合了HSI(H-色調，S-飽和度，I-亮度)調色程序與二次調光程序。

2 系統設計和硬件組成

2.1 系統整體方案設計

本控制系統主控制器采用以ARM Cortex-M4為內核設計的控制芯片，內核中集成FCU，能夠很好地兼容各類數據的計算。主控制器通過RS485串口接收DMX512信號，并根據用戶預先設定的地址，選取DMX512信號中對應地址的信號解析為PWM控制信號。同時主控制器還可以接收觸摸屏輸入的人機交互信號，同時將信號解析為PWM控制信號，輸出的PWM控制信號控制LED驅動器調節LED電流來控制燈光色的改變。系統外設EEPROM用來存儲用戶設定的地址和燈光控制信號等狀態信息，每次系統啟動時都會從EEPROM中讀取相應的狀態信息，斷電時將狀態信息寫入EEPROM中。DS18B20將實時采集LED的溫度，并根據LED的溫度高低調節散熱器風機的轉速，從而有效地降低LED的溫度，保護系統的安全性與穩定性。系統的總體方案設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2.2 LED驅動電路設計

本系統的驅動電路采用LM3414芯片，該芯片是一種共陽極恒流降壓LED驅動器，適用于單個信號驅動3W的高亮度LED，驅動效率可達96%。

LED驅動電路如圖2所示。LM3414中集成了用于實現簡單的計數電路的低邊N溝道MOSFET管和電流傳感元件，因此不需要升壓電路和外部電流檢測傳感器。IADJ端接一個外部小信號電阻接地提供非常精細的LED電流調節。FS端為開光頻率控制端口，通過一個接地的電阻器R2設置恒定開光頻率，使得該電路不需要外部環路補償網絡也能減少電路的電磁干擾。該芯片特有脈沖電平調制方法用于實現穩定的電流輸出和電路的高轉化率。該驅動電路能夠對輸入LED的電流進行精細調節，在256步調光信號中實現對LED燈珠的快速響應控制。

圖2 LED驅動電路設計電路圖

2.3 通信接口模塊設計

本系統的通信模塊特別選擇SP3485芯片作為信號收發電路控制芯片。該芯片能夠完成3.3V的供電，有效地提高了數據傳輸的速度，讓空間內的數據節點數量上升到三十多個。SP3485芯片中A、B 代表芯片的總線接口，能夠與485總線相連。RO表示數據的輸出端，而DI則表示數據的輸入端。本系統設計中的 MCU與SP3485連接的電路詳情如圖3所示。SP3485與MCU的串口相連，實現MCU與網絡節點之間的485通信。另外，R38和R40是兩個偏置電阻，用來保證總線空閑時，A、B之間的電壓差都會大于200mV(邏輯 1)。從而避免因總線空閑時，A、B壓差不定，引起邏輯錯亂，可能出現的亂碼。

圖3 RS485通信接口電路設計原理圖

3 系統軟件設計

3.1 擬合黑體軌跡的LED混光算法

黑體軌跡即普朗克軌跡，定義為理想黑體輻射的光譜在色品坐標下形成的軌跡線。熱輻射光源發光原理與理想黑體相同，因此其色溫變化時光色軌跡十分接近黑體軌跡[7]。為了使LED光源模擬熱輻射光源的色溫調節效果，本算法首先計算出色品圖中黑體軌跡上色溫范圍2300K-3200K的色品坐標，在顯色指數最大的約束條件下，計算出各色品坐標對應的RGBW混色比例和占空比，最終控制光源發出相應色溫的白光。

LED混光算法流程圖如圖4所示。在算法流程中，目標色度坐標用查表法進行計算。確定目標色溫遍歷范圍之后，需要對色溫范圍進一步劃分并對目標亮度進行賦值。計算的程序色溫遍歷范圍設定為2500K至8875K，步長25K。將混光算法目標光通量設定為可以盡量提高混合光的照度。運行程序，得到256個目標色溫點所對應的混光系數數據。黑體軌跡上的色坐標作為擬合目標進行循環計算，在循環計算的過程中完成對混光光譜的顯色性優化，最終得出一系列色溫連續的光譜混光系數。這些混光系數可以直接作為RGBW四色LED光源的混光依據，指導燈具的控制系統對光源進行大范圍色溫連續調節。

3.2 PWM調光程序設計

根據LED光源的基本電氣特性，本系統需要采用精確高效的恒流驅動方式，使光輸出穩定可靠。PWM調光方式就是根據LED發光原理發展而來的一種調光方式。由于LED對電流的響應速度極快，因此可以采用足夠頻率的脈沖對LED進行恒流驅動。

根據PWM調光的基本原理，改變紅光、綠光、藍光和白光LED驅動電流的占空比，可以改變各自色光的強度，通過不同占空比的組合，就可以得到不同混合比例的光色。同時，不同色溫的白光由不同比例的四通道LED混合得到。由于DMX調光指令范圍為0-255，因此將擬合黑體軌跡的目標色溫范圍設定為2475K-8875K，步長25K，在MATLAB中計算得到256組混光系數。將該系數與系統中PWM時鐘重裝載值相乘，得到256組調光值，存儲在二維數組中。色溫調節時，根據DMX指令值讀取相應的四通道PWM調光值，可以得到相應的混合光輸出。在利用PWM方式調光的過程中，由于驅動電流總是處于最大電流的恒流驅動狀態，因此LED的光譜不會隨亮度改變，具有良好的光色穩定性。在調光過程中光源的色坐標和光譜基本保持穩定(不考慮結溫的影響)，并且PWM占空比與光通量一般會呈現正比例的函數關系：L = K·L′(其中L表示目標亮度，K表示占空比，L′表示LED在滿電流時的亮度)。

同時，LED屬于半導體二極管，可以將電能直接轉化成光能，發光響應速度達到納秒級別。在對LED進行調光時，如果不對調光曲線加以設計會造成起光亮度跳變的問題。對于DMX協議而言，每一路調光指令為0-255，可以對DMX調光指令范圍與16位調光精度范圍(0-65535)做二次曲線映射，并將調光值存入數組。這樣可以得到經過設計的二次調光曲線，避免了起光和閉光時的閃爍和亮度跳變問題，使LED光源亮度調節產生類似傳統熱光源燈具的效果。調光曲線如圖5所示。

圖5 二次調光曲線

3.3 連續色彩調節程序設計

為了便于操作人員快速地調出所需的顏色，本系統設計了HSI(H-色調，S-飽和度，I-亮度)調色程序，顏色調節原理如圖6所示。在LED混光過程中，調節H(色調)可以使混合光的色坐標在色度空間內沿RGB三色構成的三角形色域的邊沿移動，可以得到混合光的色調在紅橙黃綠青藍紫的色調范圍內快速連續變化。確定混合光的色調后，通過調節S(飽和度)來控制顏色深淺，圖中顯示的線段M-W，從色調M連續變化過渡到白色W。因此，系統通過HIS調節程序可以方便地調出不同色調、不同飽和度顏色的LED燈光。

圖6 HSI調色程序原理示意圖

3.4 DMX512數據傳輸程序設計

本控制系統主要用于舞臺下位機LED燈具，通過串口接收上位機發送的DMX512控制信號。任務流程如圖7所示。當控制器通過RS485接收上位機發送的控制信號時，主控制器自動將用戶設定的地址信息存入EEPROM芯片中，并檢測DMX512信號中Break標志位是否存在，如果檢測到中斷標志位串口中斷開啟，根據EEPROM中存儲的地址信息在DMX512數據中獲取對應地址的燈光控制信號，在DMX任務主體函數中循環對緩存數據與本地數據進行校驗，若有數據變化則傳遞新的數據至本地數組，并根據新數據將控制信號解析為PWM控制信號，驅動LED光源。

DMX信號捕獲主要有兩個全局變量，用于輔助實現低電平捕獲。其中，TIM5CH1_CAPTURE_STA用來記錄捕獲狀態，TIM5CH1_CAPTURE_VAL用來記錄捕獲到上升沿時當前定時器的值。串口接收數據函數用來接收DMX信號數據幀中攜帶的燈光亮度數據，由于第0幀為保留幀并無實際意義，因此數據接收從第1幀開始到第512幀結束。USART_ReceiveData()用來讀取存儲在UDR寄存器中接收到的燈光亮度數據。

圖7 DMX調光任務程序流程圖

4 結論

本文研究并設計了基于ARM的舞臺LED燈具光色控制系統。該系統實現了對LED光源的大范圍色溫調節和色彩管理功能，同時數據流通信方式應用DMX512通信協議，方便與舞臺燈具信息傳遞。另外，控制系統設計帶有觸屏的人機交互功能，能提供豐富的參數包括溫度、點亮時長、DMX地址等信息，方便用戶對單個燈具進行手動控制。該系統具有廣泛實用價值和市場應用前景。