LED舞台照明灯嵌入式控制系统优化设计

韦丽花，唐露新，张强武，蒋伟楷

(1. 广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006；2.广州市浩洋电子有限公司，广东 广州 511450)

LED舞台照明灯嵌入式控制系统优化设计

韦丽花1，唐露新1，张强武1，蒋伟楷2

(1. 广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006；2.广州市浩洋电子有限公司，广东 广州 511450)

LED舞台灯具作为LED光源一种高端应用领域，具有长寿命和色彩快速独立调整等优点，应用越来越广.为了不断提高LED摇头舞台灯产品性能和可靠性，采用32位的嵌入式STM32F103芯片控制，代替原来的3片8位单片机，大大简化电路和程序，使软件性能大大提高.并对系统整体电路、运动控制方式、调光方式和温度保护等进行优化设计和实验，使灯具具有更好的整体性能、功能和可靠性，提高运动控制的准确性、稳定性以及获得近似无级四色光源的连续调光.已应用于多款LED舞台灯产品中，效果良好.

LED舞台灯具; 嵌入式; 步进电机驱动; PWM调光

随着文化产业的发展和人们生活水平的提高，舞台灯应用越来越广泛.相对传统舞台灯具，现代舞台灯成为一种含光学、机械、电子、电气以及计算机控制等多学科交叉技术的设备[1]；另一方面，伴随卤钨灯、金卤灯等离子体光源和LED光源等舞台灯具产品的问世，舞台灯在节能、色彩、体积和寿命等性能方面也得到显著提高.其中LED凭借其节能高效、响应时间快、性能稳定、寿命长、显色性良好等优点[2]，成为舞台灯一种良好选择.目前流行的LED舞台灯采用四色单独控制，能根据场地和节目要求，形成快速的光效组合变化，以达到完美的灯光气氛效果[3].在广州亚运会、伦敦奥运会和节假日演出等大型舞台会场的LED灯光应用效果令人印象深刻，使其在现代舞台照明中占有一席之地.

与此同时，舞台灯的功能和性能要求也越来越高，尤其是对速度、可靠性、稳定性和性价比等要求.以往的舞台灯控制系统采用8位CPU的单片机，指令执行速度低，运行速度慢，片上资源有限，时钟系统不能够选择和进行分频处理，需采用多片单片机完成相应显示调光和运动控制等功能，无法进行复杂运动控制场合的实时数据运算等[4].因此，难以满足舞台灯控制系统日益增加的功能性、复杂性和实时控制的要求.随着计算机、网络及通信技术的发展，32位嵌入式控制系统以其体积小、速度快、功能强、价格不断下降等特点，已在工业控制、消费电子、医疗器械等诸多领域得到了广泛的应用[5].美国TI公司生产的STM32F103系列单片机，具有32位的CPU，有强大的处理能力，有11路定时器，6路PWM输出，多达112个快速I/O端口，丰富的片内外设接口和方便灵活的开发手段[6].

为了进一步提高LED摇头灯舞台灯产品性能和可靠性，采用32位的嵌入式STM32F103芯片控制，简化电路，对系统整体电路、运动控制方式、调光方式和温度保护等进行优化设计及实验，提高灯具的控制性能、功能和可靠性.而且延长灯具寿命，提高控制精度，灵活实现各种灯光效果.

1 系统整体控制

LED舞台灯具控制系统主要控制两轴的灯头旋转运动、四色LED调光和联网控制.原系统采用3片8位AVR单片机，第1片用于参数输入和显示、温度保护及联网通信等；第2片控制红绿蓝白四路LED驱动；最后一片控制水平、垂直运动步进电机及风扇电机.3个CPU相互通信和协调控制.3个8位单片机的组成方式，硬件较复杂,数据要相互交换和通信，降低可靠性、延长工作时间.另外由于采用8位运算，无法实现更加高速运算以达到更好的运动效果.现采用1片以STM32F103单片机为核心的微处理控制系统，该单片机为32位处理器，主频达74 MHz，带有高级定时器、编码器接口电路、ADC转换电路等功能[7]，控制系统结构如图1所示.

图1 优化后舞台灯控制系统结构图

1片CPU取代原来3片AVR单片机，大大减小外部电路和软件的复杂性，CPU通过RDM协议和控制台通信，使联网系统更加实时快速、控制灯具节点容量更大[8]；软件功能更加强大，控制方便精确，可以进行快速运算，便于采用S型加减速和细分动作控制驱动水平、垂直步进电机[9]；CPU控制更加多级的PWM调光信号，精确控制LED发光亮度，并增加多个热敏电阻检测LED温度，更加安全保护灯具.优化后的软件系统，大大简化了系统程序，减少了初始化和通信时间，提高实时性和稳定性.系统软件流程如图2所示，系统主程序在完成初始化工作之后，等待外部中断，当检测到外部中断之后，调用相应的子程序模块.

图2 系统程序流程图

还采取了一系列抗干扰措施，采用PFC和DC/DC级合二为一的开关电源，提高输入功率因素，减少电流谐波畸变；而且体积小，成本低[10].此外，为减少辐射干扰，开关电源的磁场屏蔽采用铁磁材料[11].另外由于灯内结构复杂，线路密集细长，电源容易跌落和受到干扰，现采用三级电源稳压方式，不仅容易实现稳压，而且具有较高电源效率.

2 调光控制与温度保护

2.1 调光控制

为了避免色差，白光LED调光一般采用PWM方式，但传统的单相PWM调光方式应用在多路LED驱动时，会存在很大的负载电流变化，加大对转换器的要求[12].优化前系统采用8位定时器，只可实现256级的调光.现采用STM32F103芯片，主频率达到74 MHz，具有16位定时器，大大提高PWM分辨率，多达65 536级的连续调光.此外，优化前系统采用HV9910驱动芯片，缺少过压、过流保护，且放电过程不在IC监控下工作，容易造成误操作.设计采用MBI6661恒流源的驱动芯片，不仅高精度输出，而且具有过热、欠压锁定,启动过电流、输出过电流、LED开路与短路等保护.

PWM调光控制主要有CPU控制电路和MBI6661恒流驱动电路两部分，MBI6661驱动电路原理图如图3所示.MBI6661仅须通过5个外接组件即可为大电流的LED照明提供稳定电流，串接驱动12颗LED，效率可达97%.其输出电流可通过不同阻值的外接电阻来调整各输出级的电流大小，而且在DIM脚连接由CPU接收LED舞台灯光操作器发送的RDM灯光数据所产生占空比可调的PWM信号进行调光控制，从而控制LED灯的明暗变化.

图3 MBI6661电路原理图

2.2 温度保护控制

系统采用大功率3 W RGBW LED光源数从数十到百多颗，面积超过400 cm2，分布较密.光源虽处在较封闭的空间，温度较均匀,但原先仅采用1个热敏电阻检测灯具光源温度，对检测较远距离的光源温度的误差较大.若部分光源长时间处于高温状态，将加速灯具老化且降低输出功率，影响输出效果.现采用嵌入式STM32F103芯片后，热敏电阻数为5个，实时性提高，而且大大提高光源工作的稳定性.

温度保护控制工作原理：当检测点温度变化时，R阻值相应变化，从而导致电压值变化，经A/D转换，CPU实时检测数值变化，并将采集到的数值与设置的阈值进行比较，当检测点值超过阈值时间较短时，CPU只需通过提高风扇转速提高散热，若长时间高于阈值，则CPU提高风扇转速，并调节PWM控制信号减小LED的平均驱动电流，以确保LED安全工作，从而达到保护灯具的目的.

3 运动控制

舞台灯光要求快速准确定位运动，使图案变化均匀，失步和过冲现象是影响运动效果的重要因素，优化前采用直线型加减速控制，图案连续变化平滑性低且噪声稍大[13].为使图案变化更平滑，提高运动精度、降低噪声，系统现采用S型加减速算法及细分控制.由于S型曲线算法复杂，计算量大，而细分控制需要具有高频率的PWM，这都要求控制器具有较强运算能力、较快执行速度，此外，每轴分别采用双光电开关检测同轴码盘运动脉冲，用于检测旋转位置，应用磁敏作为原点定位检测；在这些应用范围内，高主频的32位CPU的STM32F103芯片完全可以满足要求.

3.1 步进电机S型加减速控制

因水平、垂直步进电机所要带动的机身质量较重且体积大，运用直线型和指数型加减速控制在高速运行时出现柔性冲击.因此系统采用S型加减速控制优化，使系统具有快速平稳运行和噪声小等优点[14]，减小磨损并延长灯具寿命.图4和图5所示分别为行程位置程序流程图和S加减速程序流程图，首先，行程位置程序预设好加减速的距离和标志位，再调用模块化的子程序，使程序更加简洁和高效.并且采用PWM电流控制中断程序，通过查找步距角细分表和电流-PWM对应表，得到每一时刻步进电机细分步距的输出电流.

图4 行程位置程序流程图

图5 S加减速程序流程图

3.2 步进电机的细分控制

细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流实现，步进电机在细分状态下运行，由于步距角变小，转子到达新稳态点所具有的的动能也变小，从而使振动显著减小[15].

这里采用64细分，通过PWM方式控制电流，假如电机的步距角1.2°，额定相电流1.5 A，其绕组内的电流从0到1.5 A 或从1.5 A到0，需要经过64步，即电机的运转分辨率为每个脉冲约0.019°，提高步进电机的步距分辨率，减少转矩波动.大大改善电机的低频振动和噪音[16].

4 实验结果

针对优化后系统进行调光、运动控制、图案变化效果、温度、抗干扰等多方面性能测试，均获得较满意效果.现具体就调光及运动控制实验，分析PWM调光曲线、定位精度和噪声大小.

PWM调光测试，系统采用108颗四单色RGBW混色光源，4路调光，测试条件：调光PWM信号的频率为600 Hz方波，幅值为5 V，灯距离成像点5 m，颜色白光.图6为LED电流与照度特性曲线.

图6 LED电流与照度特性曲线

理论上，完美调光曲线是条直线，倾斜角度一致，从曲线图6可知，初始时，电流的值较小，照度较低，亮度较暗，人眼几乎感觉不到光线的变化，随着电流值的增大，电流与照度值曲线图几乎为一条直线，调光曲线图较好.

运动定位控制试验，灯具水平旋转540°，垂直旋转270°，水平全程旋转用时3.2 s，垂直全程旋转用时2.4 s.测试条件为：灯距离成像点5 m，运行扫描程序100%速度，时间10 min/次.共进行8次定位试验数据测量，产生的误差(cm)分别为：下移5、右移7、右移4、右移2、下移5、左移5、上移3、左移4.

取上述偏移角度平均值为0.501°，即扫描位置重复精度0.501°，相当于在5 000 mm射距上的偏差约为43.72 mm.

运动噪声控制试验，表1为水平步进电机直线加速度与S曲线加速度比较，测试条件为64细分，每圈128 000个脉冲.

表1 水平步进电机直线加速度与S曲线加速度比较

S曲线的最高加速度a和最高速度比直线都大，其加速度的变化率a2远远小于直线加速，在加减速阶段牺牲一些运行时间，但是在1圈以上的距离就明显加快，系统运行平稳和噪声降低明显，其噪声可控制在38 dB内，大大小于产品规定的55 dB.

5 结论

采用STM32F103控制LED舞台灯后，通过优化设计和实验，使控制系统性能得到大大提升，主要表现在：(1) 采用1片32位的ARM CPU芯片代替3片单片机，成本略高，但占整个灯具比重不高，外围线路减少，软件功能集中，减少了系统受到干扰的可能性，大大提高了控制系统可靠性、实时性和控制性能；(2) 采用S型算法、细分控制、闭环控制，提高了系统的运动图案平滑连续、定位准确、噪声小及延长机械结构寿命；(3) 全范围连续调光且调光丰富，多达65 536级，进一步丰富了舞台灯调光的等级和柔和度，实现节能控制的目的，而且温度检测更加准确，保护LED光源.该系统技术已经应用到浩洋公司的摇头舞台灯BLZ370、OV12Q等多款产品中，经济效益显著，应用前景广阔.

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The Optimization Design of Embedded Control System for LED Stage Lights

Wei Li-hua1, Tang Lu-xin1, Zhang Qiang-wu1, Jiang Wei-kai2

(1.School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;2.Guangzhou Hao Yang Electronic Co., Ltd., Guangzhou 511450, China)

As an advanced application of LED light, LED stage light enjoys their unique superior performances of long life and fast independent color adjustment which are widely used in stage lighting. In order to continuously improve the product performance and reliability of LED stage lights, 32-bit embedded STM32F103 chip is used instead of the original 3-chip of 8-bit micro-controllers, greatly simplifying the circuit and procedure and significantly increasing the software performance. The researchers optimize and experiment the whole system′s circuit, the motion control way, the dimming way and the temperature protection to let the lamps have the better control performance, function and reliability, and to improve the motion control accuracy, stability and the approximately stepless four-color light dimmer. The principle we develop has been applied to many head-moving lights which proves very effective.

LED stage lights; embedded; stepper motor driver; PWM dimming

2014- 02- 07

广东省教育部产学研合作专项资金资助项目(2012B091100056)

韦丽花(1986-)，女，硕士研究生，主要研究方向为测控技术与仪器.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.020

TP215

A

1007-7162(2015)03- 0110- 05