基于RGBW 四色LED 混光實驗系統設計

陳宜建 錢雪峰 張蘇昕 沈恒如

1 常州信息職業技術學院電子信息工程系，常州213164

2 常州敏杰電器有限公司，常州213172

0 引言

LED 照明是21 世紀最具發展前景的新一代綠色光源，具有效率高、光線質量高、光色純、能耗小、壽命長、可靠耐用、應用靈活、綠色環保的特性[1-2]。LED 彩光有較強的藝術感，提供舒適的視覺效果，讓照明與人們的生活融合地更完美。

文章根據RGBW 四色混光方程組，結合脈沖寬度調制(PWM) 技術對LED 進行調光[3]，推導出色品坐標與PWM 參數的函數關系。利用混光理論和嵌入式系統技術，設計混光實驗系統。該系統操作方便，功能強大，應用在教學中，使枯燥的理論變得很直觀，有助于學生理解和掌握LED 照明的相關課程[4-5]，很好地解決了實訓設備短缺的問題，完善了實訓室建設[6]。

1 混光原理

在LED 混光過程中，改變驅動LED 的PWM 占空比，其色品坐標基本不發生改變，而光通量相應地線性變化[7]。工程上為了討論方便，近似認為光通量與占空比成正比例函數關系，占空比是控制混色光源光（度）色（度）量的唯一因素[8-10]。結合格拉斯曼顏色混合定律和CIE-1931 色度標準，RBGW 四色LED的混光方程組為[11]：

由方程組（2）可知，在確定RGBW 四色LED 的情況下，通過調光級數調整，可以混合出各種需要的彩光。

根據McCamy 公式，LED 混合光源的相關色溫CCT 和色品坐標（存在一定的函數關系，由混合光源的色品坐標計算得到色溫值[12]。

2 系統硬件設計

根據光色混合原理，通過調節RGBW 四色LED光源各分量的能量，可以改變混合光的光譜分布，實現色品坐標、相關色溫和光通量等光色參數變化。本實驗系統通過改變RGBW 四色LED 的驅動電流，來控制各路LED 的輸出光通量，調節彩光的色品坐標。

系統主要由顯示模塊、控制模塊、按鍵模塊、電源模塊、驅動模塊和LED 光源構成。顯示模塊用于顯示系統相關設置參數和輸出參數。控制模塊對混合光參數進行運算，輸出控制指令，從而對驅動模塊進行控制。驅動模塊接受指令，調整各路LED 的輸出電流，對LED 光源進行恒流驅動。LED 光源模塊通過調整紅、綠、藍和白光LED 的輸出光通量，混合出照明所需的彩光和白光。系統總體結構圖如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

2.1 控制模塊

控制模塊采用STM32F103VCT6，該處理器是基于Cortex M3 的32 位微處理器，功能強大，資源豐富，共有256 KB 的FLASH 存儲器，最高工作頻率高達72 MHz，具有單周期乘法和硬件除法，運算速度快，GPIO 功能強大。

系統中，PB 口16 位配置為推挽輸出，接TFT 屏的數據引腳，PC 口接TFT 屏控制引腳。PA0 用于發送控制命令，為了消除LED 光源對STM32 干擾，串接肖特基二極管SS34 起反向隔離作用，防止輸出端的12 V 電壓反向影響輸入端。控制模塊電路如圖2 所示。

圖2 控制模塊電路

2.2 LED 驅動模塊

驅動模塊接受控制命令，并將命令轉換成恒流輸出，從而實現對光源模塊控制。驅動模塊采用UCS2904B 芯片，芯片的4 個通道，OUTR 接紅色LED串、OUTG 接綠色LED 串、OUTB 接藍色LED 串、OUTW 接白色LED 串，輸出端口PWM 控制能夠實現256 級亮度調整。芯片采用單線通訊方式，數據傳輸頻率800Kbit/s。將前級芯片的數據輸出引腳DO 與后級芯片的數據輸入引腳DIN 連接，可以實現芯片間級連。

當芯片接收到復位（RESET）信號時，將接收到的32 位PWM 脈寬數據輸出到OUTR、OUTG、OUTB、OUTW 引腳，然后準備接收下一幀數據。當接收完新一幀的32 位數據后，芯片通過DO 引腳將前一幀32位數據轉發給后級芯片。

系統采用12 V 供電，為防止光源板帶電插拔、電源和信號線反接等情況下損壞芯片，在芯片的信號輸入及輸出引腳各串接一個120的電阻。為減少地線浪涌干擾芯片，電源和地之間并接一個0.1f 的電容。驅動模塊電路如圖3 所示。

圖3 驅動模塊電路圖

2.3 LED 光源模塊

光源模塊由RGBW 四合一、SMD5050 LED 燈珠構成。將0.2 W 的LED 組裝在帶狀柔性線路板（FPC）上，由于FPC 材質柔軟，可以任意彎曲、折疊、卷繞，可以在三維空間隨意移動及伸縮而且不會折斷。適合于不規則和空間狹小的環境中使用，可以有效預防在大量實驗過程中損壞光源。每個UCS2904B 芯片驅動3 顆LED 燈珠，整個燈條長30 cm, 共24 顆LED 燈珠，燈條實物如圖4 所示。燈條在單獨一路工作，滿電流情況下，測得光源模塊光色參數見表1。

圖4 燈條實物圖

表1 LED 燈帶色度學參數

3 系統軟件設計

系統軟件主要功能是數據運算和控制，包括主程序和功能模塊程序。系統主程序包括：系統初始化，顯示操作界面，從模擬EEPROM 中讀取參數，參數處理，生成驅動模塊控制命令，發送命令；然后讀取按鍵信息，若有按鍵操作，進行按鍵處理，并生成新的驅動器控制命令，調整紅、綠、藍和白光輸出，得到新的混光效果，并更新系統顯示界面。主程序流程圖如圖5 所示。

3.1 驅動模塊控制程序

驅動模塊采取8 個USC2904B芯片進行級聯構成，每個芯片有4 路LED 輸出端，即一組RGBW 輸出端。每路輸出可采用8 位二進制數設置256 級亮度，因此一組RGBW 需要32 位二進制控制碼，數據高位先入，結構見表2。

程序先讀取第1 個芯片各路參數，然后組合成32位二進制控制碼，由PA0 引腳按位輸出到驅動芯片。就這樣，軟件依次送出各芯片控制碼，進行驅動模塊的控制。

3.2 控制碼設置程序

系統中通過設置UCS2904B 芯片的RGBW 各路PWM 控制參數，并實時發送控制碼，調整燈條的混合光效果，可直接觀察彩光變化。參數設置順序是：紅（R）、綠（G）、藍（B）和白（W）。參數設置完后通過FLASH 模擬EEPROM 操作，把數據直接保存在STM32 內部，可防止數據掉電丟失，參數設置程序如圖6 所示。

圖5 主程序流程圖

表2 RGBW 組數據結構

圖6 驅動模塊程序流程圖

4 實驗結果與分析

對實驗系統進行測試，首先使用遠方公司的高精密快速光譜輻射計HAAS-2000 和2.0 m 積分球，對燈條各路在滿電流下測試光度學參數，積分球測試如圖7所示。接著，把測試參數輸入本實驗系統，通過按鍵設置驅動芯片UCS2904B 的各路調光級數，從而調整輸出電流，得到混合光的光通量、色品坐標和相關色溫等參數，實驗結果如圖8 所示。

為了對文章設計的實驗系統進行驗證，使用HAAS-2000 對燈條進行光度學參數測量，并對兩種方式測試結果進行分析，得到數據表見表3。

圖7 積分球測試圖

圖8 實驗系統測試圖

表3 兩種方式測量值對比

從表3 可以看出，文章設計的實驗系統測試結果與專用儀器相近，色品坐標誤差小于0.003，光通量誤差小于1 lm, 這些誤差均在可接受范圍內。

將混合光的色品坐標輸入到CIE-1931 色品坐標圖中，得到混合光分布圖如圖9 所示。從圖9 中可以看出混光點分布可以任意設置，達到目標光色要求。

5 結語

運用PWM 調光技術，結合占空比與光通量基本成正比的關系，從彩光參數出發，建立色品坐標和相關色溫的函數關系。以STM32 微控制器芯片、專用LED 恒流驅動電路和RGBW 四色燈條，設計了混光實驗系統。實驗表明，通過調節PWM 參數能實現預期的混合光，可以為大范圍色品坐標和相關色溫調節，提供色度學上的參考。本實驗系統在LED 照明課程和創新實踐課程中得到應用，使學生學會了應用LED 照明專業知識，嵌入式系統和智能電子產品設計等課程的相關知識，達到了培養學生實踐技能的目的。

圖9 測試數據分布圖