基于CPLD的LED景观灯智能控制系统

王淑凡 ，牛萍娟 ，徐秀知 ，3，王 巍

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387；3.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津 300387）

基于CPLD的LED景观灯智能控制系统

王淑凡1，牛萍娟2，3，徐秀知1，3，王 巍2，3

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387；3.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津 300387）

针对传统的LED景观灯控制系统控制灯数量少、无法实现柔和渐变效果等问题，提出了一种多参数可编程的LED景观灯控制系统，基于CPLD设计了控制系统的控制盒；根据实际情况设定了场景数据的传输协议，并用QuartusII软件进行了功能仿真.仿真结果表明：该系统可实现不同地址的LED景观灯在256级灰度调制范围内以不同的速度变化等级达到预设的亮度级别，并输出红、绿、蓝三基色相应的PWM占空比信号，最终实现景观灯柔和渐变的效果.

CPLD；LED景观灯；智能控制；PWM

LED景观灯由于其灯光色彩丰富、功耗小、造价低以及控制简单等特点，渐渐遍及城市的各个角落，用LED灯来装饰街道和城市建筑物越来越成为一种时尚.传统意义上的景观灯用控制盒或单片机进行控制，灯的变化方式单一，而且单片机控制系统速度有限，无法满足数据高速传输的要求.特别是当LED灯进行较长时间渐变时，会导致整个渐变过程有非常明显的跳跃现象[1-2].为了使LED景观灯肉眼看上去没有跳跃现象，达到柔和渐变的效果，本文设计了一种基于CPLD的LED景观灯智能控制系统，该系统可对256盏LED景观灯实行智能控制，使其在256级灰度调制范围内以不同的亮度变化速率达到灯具预设的亮度级别，最终实现景观灯柔和渐变的效果.

1 系统设计方案

在景观灯中，每个像素点由红、绿、蓝3种颜色的LED组成，假如每个LED可实现256级灰度显示，那么一个像素点就能够实现在256×256×256种色彩范围内变化.在景观照明中，灰度是显示色彩数的决定因素.一般灰度等级越高，色彩表现越丰富.在对LED景观灯的调控过程中，实现LED的灰度级就是使LED按不同灰度发出不同强度的光，主要通过控制占空比来实现.由于LED的亮度与它点亮的时间长短有关，因此可以通过输出3种不同占空比的PWM信号来控制景观灯红、绿、蓝三基色，从而实现景观灯的多彩效果[3].

LED景观照明系统简图如图1所示，景观灯的控制盒根据场景数据等信息，通过内部的可编程逻辑设计，产生可控制景观灯红、绿、蓝三基色的不同占空比PWM信号.

为了避免景观灯进行多彩变化时发生跳跃现象，实现柔和渐变的效果，鉴于系统的功能，采用3字节24位表示场景数据的传输代码，各位代码代表的意义如图2所示.

图2中，CMD23～CMD16表示灯具地址，能满足最多256盏灯具的需求；CMD15～CMD13表示红、绿、蓝像素点的升降信号，当升降信号为1时表示从当前亮度到目标亮度是升的过程，升降信号为0时表示从当前亮度到目标亮度是降的过程；CMD12表示读写信号，该位为1时进行读操作，为0时进行写操作；CMD11～CMD9为速度等级信号，共有8个等级，每个等级代表的含义如表1所示；CMD8～CMD0表示红、绿、蓝各色的最终亮度信号，每3位代表一种颜色的二进制值.

表1 速度级别列表Tab.1 Speed level list

本系统设计任务为：接收LED景观灯的场景数据，并根据所定义的传输协议按照表2查找R、G、B二进制所对应的PWM值，通过可编程逻辑设计实现相应的功能模块，使不同地址的LED景观灯红、绿、蓝三种颜色分别按照预定的亮度变化速率达到场景数据传输协议所要求的相应PWM值，实现景观灯的柔和渐变，并能根据要求将灯具状态返回，以使其能提出更合适的控制方案[4].

表2R、G、B二进制值与对应的PWM值Tab.2 R，G，B binary value and corresponding PWM value

鉴于该系统的功能要求和控制方法，本文将该系统分为4大模块：通信模块（接收、发送模块）、红绿蓝预处理模块、对应的执行模块（写入模块）以及PWM发生模块.系统框图如图3所示[5].

系统的工作过程如下：接收模块接收场景数据，传递给数据预处理模块.预处理模块首先根据地址信息判断信号是否发给指定景观灯，即判断地址信号是否相符.若不符则终止操作，若相符则继续判断是进行读操作还是进行写操作.若是读操作，则程序转入发送模块，将景观灯当前状态返回；若是写操作，则程序转入各像素点的执行模块，根据场景数据RGB二进制值、升降信号、转换速率和3种颜色最终亮度等信息得到对应三基色的PWM控制信号，再由各自的PWM发送模块产生不同占空比的PWM信号来控制LED景观灯，使其实现柔和渐变的效果.

2 系统分模块设计

该智能控制系统各分模块设计如下：

（1）通信模块.主要接收场景数据和发送LED景观灯当前的状态，由发送子模块和接收子模块组成.在该模块中，rxd_clk标记为模块的时钟信号；txd_cs为模块的使能信号，sdata为串行输入信号；sys_rst为系统复位信号；q[23..0]为并行指令输出信号.

（2）红、绿、蓝预处理模块.对通信模块接收到的场景数据进行预处理，使得执行模块能够正确的执行上级发送的命令.该模块中，由8位比较器将场景数据的地址信号adressin[7..0]与预设的地址adress[7..0]进行比较，相等则输出高电平，与读写信号rw进行与操作，当rw为1时进行写操作，同时输出读写控制信号rw_out到发送模块进行读写操作.Inc[7..0]标记为LED亮度变化信号，由速度等级speed[2..0]控制，代表每个周期LED亮度变化值.

（3）执行模块.主要执行预处理模块处理后得到的指令，根据场景数据RGB二进制值、升降信号、转换速率和最终亮度等信息转化为各像素点红、绿、蓝3种颜色的PWM占空比信号，对输出的占空比信号标记为pwmctrl，并将其输入到对应的PWM模块，实现对LED景观灯柔和渐变的控制[6].

（4）PWM模块.主要实现PWM信号的输出，由8位计数器对clk信号进行0～255循环计数，比较器将计数结果q与PWM控制信号pwmctrl进行比较.当q值小于pwmctrl时输出为1，反之则输出为0.

3 仿真结果

系统工作时钟sys_clk信号周期设为1 μs，rxd_clk为接收模块时钟信号，该信号长度为24个周期并且与系统时钟周期相同.cs为接收片选信号，该信号持续24个周期的高电平，为接收模块提供使能信号，接收结束后该信号变为低电平.当rxd_clk和cs同时存在时接收模块开始工作.sdata为传输过程中的串行信号，长度为24个时钟周期，每个周期代表并行信号中的一位.根据场景数据协议的要求，传输顺序是从低位到高位.q为接收模块将串行信号转换成的24位并行信号.

对系统作如下仿真：首先假定场景数据的传输协议为 010010111110010101100011，即要求地址为01001011的景观灯的红、绿、蓝3种颜色按照速度等级010从亮度等级0分别上升至对应的亮度等级，仿真结果如图4所示.其次，将场景数据协议修改为010010110000001010011001，要求红、绿、蓝3种颜色在图4的仿真基础上按照速度等级001分别降至相应的亮度等级，仿真结果如图5所示.

从仿真结果可以看出，sdata输入数据与q所输出的数据是一致的，未出现任何偏差.根据所设计的系统工作原理及场景数据传输协议可以明显看出：图4中地址为01001011的像素点R、G、B的三基色PWM信号按照速度等级010逐渐升高至所预设的各颜色的亮度值（R占空比180/256、G占空比144/256、B占空比108/256）.图5中该地址的像素点R、G、B三基色PWM信号按照速度等级001逐渐降低至所设置的各亮度值（R占空比36/256、G占空比108/256、B占空比 72/256）.

4 结论

为了解决传统的LED景观灯调控技术简单、控制方式单一等问题，本文设计了基于CPLD的LED景观灯的控制系统，根据设定的功能对整个系统采用分层思想进行功能模块的划分，并给出了仿真结果，实现了对256盏LED景观灯的智能控制，使其在256级灰度调制范围内以不同的亮度变化速率达到灯具预设的亮度级别.从仿真结果可以看出，该系统可将各个模块的功能有效地结合起来，使得不同地址的LED景观灯实现柔和渐变的效果，有效地改善了景观灯在多彩变化时容易出现的跳跃问题.

[1]潘宗树.基于NiosII的SOPC系统设计与研究[D].武汉：武汉科技大学，2007.

[2]李 鸿.基于SOPC的全彩色LED景观灯控制系统设计[J].电子测量技术，2009，32（8）：148-151.

[3]朱继红.LED在景观照明中的基本混光方式[J].照明工程学报，2008，19（9）：26-29.

[4]郭宝增，邓淳苗.基于FPGA的LED显示屏控制系统的设计[J].液晶与显示，2010，25（6）：424-428.

[5]邓宏贵，邓淳苗，曹文晖，等.基于PWM的LED显示屏像素亮度控制方法[J].光电子技术，2010，30（2）：131-134.

[6]张海辉，杨 青，胡 瑾，等.可控LED亮度的植物自适应精准补光系统[J].农业工程学报，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 基金项目：天津市科技支撑计划重点项目（10ZCGYGX18300）

王淑凡（1987—），女，硕士研究生.

牛萍娟（1973—），女，博士，教授，硕士生导师.E-mail：pjniu@hotmail.com