基于FPGA的舞臺LED調光系統研究

任慧，彭康平

(1.中國傳媒大學信息與通信工程學院，北京100024；2.視聽技術與智能控制系統文化和旅游部重點實驗室，北京100024；3.現代演藝技術北京市重點實驗室，北京 100024)

1 引言

隨著科技的不斷發展，舞臺燈光的控制要求也越來越高，目前市場上的舞臺LED調光器多采用ARM或單片機進行控制，ARM系列嵌入式控制器目前占據市場主流，其優點是性能高、成本低、能耗少。然而在舞臺LED調光器系統中也顯現出其不足之處，ARM的硬件PWM一般只有3～6路，無法滿足照明系統中大量的LED鏈路控制，通過軟件方法可以擴充PWM，卻也同時大大降低了控制器的速度處理性能，難以滿足數據高速傳輸的要求。本文采用了以FPGA為主控芯片研發舞臺LED調光系統。以FPGA為核心實現了手動調節和調光臺調光雙模式調光電路。通過實驗驗證，該調光系統性能穩定，方便快捷，能滿足舞臺LED燈光的亮度控制要求。

2 系統硬件設計

本系統由四個部分組成，手動調光模塊，上級調光臺調節模塊，控制和顯示模塊，恒流驅動電路模塊，如圖1所示。手動調光通過調節電位器獲得模擬電壓，并通過模數轉換將模擬信號轉換為調光數字信號[1]。上級調光臺通過DMX512協議發送數據，FPGA把接收到的數據進行處理顯示，并產生PWM信號，通過LED恒流驅動電路控制LED燈具的亮度變化。

圖1 系統整體硬件框圖

2.1 手動調光模式調光

手動調光模塊框圖如圖2所示。LED調光系統的手動模式通過調節調節電位器來實現。調節電位器，FPGA進行數據的A/D采集轉換。將得到數據進行處理得到亮度信息。

圖2 手動調光模塊框圖

2.2 調光臺調光模式調光

調光臺調光模塊框圖如圖3所示。這部分通過上級調光臺發送數據控制，調光臺通過RS485發送信號，FPGA判斷數據并接收，將數據轉換成亮度信息。

圖3 調光臺調光模塊框圖

2.3 控制和顯示模塊

控制和顯示模塊框圖如圖4所示。控制模塊通過鍵盤來實現，鍵盤不僅要控制調光模式的選擇，還要在調光臺調光模式下控制通道號的選擇。FPGA把接收到的數據通過數碼管顯示出來，顯示模式狀態，通道號和亮度信息。

圖4 控制和顯示模塊

2.4 恒流驅動電路設計

本系統中的恒流驅動電路所用芯片為TI公司的LM3414[2]，其電路如圖5所示。

圖5 恒流驅動電路設計圖

圖中各個元件要根據LED燈具的不同來設置不同的參數。

圖中的Vin(+)和 Vin(-)表示LED燈具和電路之間的兩個接口，LED不僅表示LED燈具，代表LED燈組。FPGA輸出的PWM信號通過DIM引腳接入驅動電路。

占空比：

(1)

VIN即輸入電壓Vin(+)，VLED為LED燈組分得的電壓。輸入電壓要根據LED燈組的電壓來定，輸入電壓盡量比LED燈組電壓稍微大一點，不能超過太多。

3 系統軟件設計

在軟件代碼的實現過程中，要按照top to down的設計方法進行實現[3]。這種設計思路是先考慮系統的整體框架，并考慮好每個部件之間的互相聯系，設計好整體結構后再對各個分部件進行單獨設計。這種設計方法可以極大的減少設計階段中的很多重復性工作，提高工作效率。

3.1 手動調光模塊

手動模塊是通過A/D采集可調電阻電壓來實現的。

具體的實現步驟如圖6所示(圖中Y表示yes，N表示no)：

圖6 A/D采集設計流程圖

CS是芯片的選通引腳，當CS為低電平時，芯片允許工作。根據串行數據的時鐘，先聲明本次采集的是哪個通道的數據，通道號由FPGA確定。A/D芯片接收到通道號后，將該通道的數據給到FPGA。每次采集到的數據都是12位數據，數據執行的是高位先行的原則。但亮度的調節只用到了8位，將所得12位數據進行截位處理，只取高8位數據，得到的8位數據就是亮度信息數據。

3.2 調光臺調光模塊

調光臺調光模快女主要是實現FPGA接收上級調光臺通過DMX512協議發送過來的數據。

接收DMX512協議數據，需要根據協議的時序來設計[4]。由DMX512的協議時序，得到了如圖7的設計流程：

圖7 DMX512協議接收器設計流程圖

DMX512每幀數據可以包含513個字段數據，其中第0個字段是特殊字段，不包含亮度信息。從第1個到第512個字段包含亮度信息。

在每幀數據的開頭都有一個不小于88us的復位，代表這一幀數據的開始，當復位后標記結束，FPGA檢測到下降沿時，開始接收字段0，接著字段1一直到字段512。每個字段包含11位數據，其中第0位是起始位，起始位要求必須為0；第1位到第8位是數據位，即亮度信息位；第9位和第10位是數據的停止位，要求停止位必須為1。每接收一個字段都要對它進行錯誤檢測，一旦發現停止位不是1時，應立馬放棄當前數據，并停止接收后面的數據。

3.3 控制和顯示模塊

本系統中采用的是鍵盤的操控方式，鍵盤采用矩陣鍵盤實現，小巧輕便。顯示部分采用七段數碼管實現，FPGA在處理完數據后，直接將數據送到數碼管顯示。其流程圖如圖8所示。

圖8 控制和顯示設計流程圖

當按下按鍵時要先識別按鍵，確認是哪個按鍵按下。通道號共支持512個通道的預設，最大不能超過512，超過即認定設置錯誤。模式選擇共有兩種模式，采用不同按鍵進行切換。

3.4 PWM信號的實現

調光系統的兩種模式每次只能選擇一個，需要先進行進行模式的選擇。

具體的實現步驟如圖9所示：

圖9 數據選擇框圖

Data1和Data2分別表示手動模式的亮度數據和調光臺調光模式的亮度數據，num為0的時候選擇Data1，num為1的時候選擇Data2，如果輸入的num不為0也不為1，則data保持不變。

圖10 PWM信號輸出流程圖

占空比D為：

(2)

當占空比為0時，LED燈具不亮，占空比為1時，LED燈具達到最亮。

4 系統調試

4.1 測試平臺搭建

以cyclone IV 型號FPGA為核心，進行測試環境的搭建。將電位器接上5V電源，輸出端接到A/D采集轉換模塊，A/D采集轉換模塊選用ADC128S022芯片，A/D采集模塊將數據發送到FPGA。調光臺通過RS485將數據發送到FPGA。將矩陣鍵盤接入FPGA，數據在數碼管顯示。PWM輸出引腳連接恒流驅動電路。LED燈組連接恒流驅動電路。

4.2 調光測試

如圖11到圖15是兩種調光模式下測得不同占空比PWM信號，分別輸出占空比為0%，25%，50%，75%，100%。兩種調光模式下測得輸出PWM占空比波形完全一致。

圖11 占空比0%波形

圖13 占空比：50%

圖14 占空比75%波形

圖15 占空比100%波形

實驗測試LED亮度調光結果如表1所示。

表1 兩種調光模式測試結果

5 結論

本系統以強大的FPGA為核心，通過FPGA進行A/D采集轉換，接收調光臺的DMX512數據，實現了雙模式的燈光調節。系統支持通道的預設，使每個燈具的使用更加的方便，系統控制操作方便，顯示直觀。整個系統結構輕便，可靠性高，性能穩定，具有廣泛的應用前景。