LED发光环旋转速度的语音同步驱动方法与实现

徐亚磊，戚克军，熊晓东

(1.长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023；2.武汉阿拉丁科技有限公司，湖北 武汉 430200)

LED发光环旋转速度的语音同步驱动方法与实现

徐亚磊1，戚克军2，熊晓东1

(1.长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023；2.武汉阿拉丁科技有限公司，湖北 武汉 430200)

提出了一种提取声音幅度或节拍间隔信号用来实时控制发光环旋转速度的驱动技术和方法，通过语音拾取、检波、低通滤波器和开关网络的设计实现对由多段RGB LED发光体构成的发光环旋转速度的有效自动控制，达到声光同步互动的效果，为园林亮化建设、智慧家居和舞台灯光增添了新的元素。

LED驱动；发光环；声光同步；转速控制

引言

LED因发光有效性高、色彩丰富、节能环保、长寿命、响应速度快、易控制和长期稳定性等特点[1]以及封装工艺的不断改进和完善，正在取代传统的照明方式，且在舞台灯光、照明和亮化工程等方面都得到了广泛应用。以LED为基础的各种驱动控制技术也得到了较大发展，目前已有追逐光、渐变光、闪烁光和旋转光等驱动技术[2-3], 目前声色互动在RGB LED驱动技术领域非常活跃，虽然2014世界CES大会首次出现了声控亮度变化的灯具，但没有人系统性提出如何利用声波信号的哪一种特征去驱动LED光色如何变化，针对目前的技术现状，在追逐光和旋转光驱动技术的基础上结合音频信号检测技术，一种更为智能化和应用前景更广泛的RGB LED驱动方案在这里被提了出来，该方案的主要思想是通过提取音频信号的两个重要特征——包络幅值和节拍间隔长短，作为信号线性地驱动发光环旋转光的旋转速度，达到声色结合、人与光的互动、美化环境、美化生活和场景氛围烘托的目的。

1 实现光环转速控制的系统结构

实现发光环转速声音幅度控制或节拍控制的系统结构如图1所示，主要有声波拾取、包络检波、低通滤波、微处理器、逻辑开关网络及驱动、8段RGB LED发光环和红外遥控等部分组成，其中红外遥控用来设置系统的工作模式和完成手动操作命令，微处理器用于整个系统的逻辑控制、数据处理，包括遥控命令数据的处理；语音信号实时控制发光环的旋转速度到底是语音包络幅度还是节拍间隔有效，由遥控设置的工作模式参数决定。语音信号自动控制发光环旋转速度时，拾音电路拾取语音信号、经包络检波后、得到一个变化缓慢的单极性语音信号的包络、该信号可以很真实地反应出语音信号的幅度和节拍变化，再经低通滤波滤除语音信号包络的高频分量得到一个比较纯净的低频信号；对这个低频信号采样，送微处理器计算处理后，即可得到语音信号的峰值及其间隔，然后再转换为24路选3逻辑开关网络的通断时间常数就实现了3路PWM驱动信号在8段RGB LED 发光环上所产生旋转效应转速控制。

图1 发光环旋转速度语音自动控制方案Fig.1 Synchronous Solution for Sound Driving LED Light Rotation

2 信号提取及驱动转换的基本算法

图2(a)描述了从一个单极性语音信号到包络检波、滤波后得到一个比较纯净的低频包络信号，再到抽样量得到包络信号幅值的过程，其中t代表时间、XPi和TPi分别代表第i个语音峰值和第i个到第i+1个峰值间的时间间隔。若令v代表发光环的转速(转/秒)、TPmax、XPmax、vmax和TPmin、XPmin、vmin分别为最大峰值间隔、最大峰值、最大转速设定值和最小峰值间隔、最小峰值、最小转速设定值，则峰值XP和峰值时间间隔TP和发光环转速v的关系如图2(b)所示，并满足设如下算法：

当XP>XPmax或TPTPmax时,v=vmin(如0.5转/秒)。

当XPmin

(1)

(2)

图2 信号变换和驱动转换Fig.2 Signal extracting & signal to rotation speed

以上算法中很重要一点是检测语音信号峰值XP和节拍间隔TP。得到XP和TP后，根据系统的工作模式状态分别将XP或TP转换成对应转速的发光环每段LED或RGB LED 的开关时间常数，就形成了声光同步旋转效应。

3 转速控制的设计与实现

3.1 语音拾取电路

语音拾取电路如图3所示，其中话筒是一个随声压变化的应变膜电阻，将语音信号转化为电信号，在运放LM324的正端提供了一个+2.5V偏置电压使输出信号变成了一个完整的单极性信号，后接隔直电容后可得到交流语音信号X。

图3 语音拾取电路Fig.3 voice picking-up circuits

3.2 检波与滤波

在图4所示电路[4]中，通过选取R1和C1使放电时间常数保证电容C1两端电压变化速率远大于信号X包络变化速率得到无惰性失真[5]的包络信号X1，图5是传递函数为公式(3)、截止频率为10Hz的六阶巴特沃斯低通滤波器[6]通过它滤掉X1中丰富的高频分量后，再通过调理电路将幅度调节到本微处理器STC12C5410AD 0～5V 的 A/D量化范围[7]。

图4 包络检波电路Fig.4 envelop detection

(3)

不难从图6中看出，包络信号X1经过该滤波器后，信号质量得到了明显的改善，其中黄色波形是声音信号原始信号，蓝色波形是包络检波的信号。

图5 增益为8截止频率为10Hz的巴特沃斯低通滤波Fig.5 Butterworth low pass filter with Gain of 8 & 10Hz break frequency

图6 语音信号处理前后波形Fig.6 Voice waveforms before & after filtered

3.3 开关网络及驱动电路

通过以上电路和亮化处理后，得到XP和TP， 图7是所示驱动和控制开关网络将微处理器输出的3路PWM驱动控制信号分别控制红色、绿色和蓝色场效应管驱动器，并经3N选3开关网络接到构成发光环的RGB LED模块的R、G、B接线端，从而驱动 LED 可发任意光色，每一模块的光色是由3路PWM信号的占空比组合所决定的，其通断时间是由微处理器检测到的语音包络幅值或节拍间隔长短所决定的，并通过控制线来控制开关网络的动作， 从而达到了语音包络幅值或节拍间隔长短自动控制光环转速的目的。

图7 发光环的驱动和开关控制网路Fig.7 Driving and stitch network

图8 发光环语音驱动静态效果Fig.8 Luminous ring driven by voice

4 结论

图8是RGB LED模块数N为8，声音强度约为80dB获得的单色光环转速约23rps 高速旋转时的静态照片，更高速度的旋转在视觉上已无法区分，但有亮度上的微小变化。

事实上，本系统能够实现25 dB～85 dB声音强度驱动任意色彩光环以0.02 rps～25 rps的转速旋转。在实际应用中，融合了WiFi与蓝牙技术，使产品更加智能化；同时实现了音量到色彩空间的影射，并且兼顾照明。因此本系统可变成具有很强适应市场能力的实用产品化技术，并可应用于娱乐、智慧家居、园林亮化、情绪释放、声光互动等多种场合。

[1] 彭银. LED照明技术应用现状[J].科学导报,2015(11):222.

[2] 汤莉莉，黄伟，黄孝康.红外智能渐变式LED 台灯的研究与设计[J]. 无线电工程， 2015，45(1): 65-67.

[3] 郑凯.LED 闪光灯的设计[J].科技创新与应用, 2015(31):24.

[4] 邵军，孙广荣，宗有泰. 新型峰值包络检波器的研究[J].电声技术, 1995(11):9-12.

[5] 马兴平，程秀英，侯卫周. 基于Multisim10.1的二极管峰值包络检波仿真[J].实验技术与管理,2012,29(2):85.

[6] 李钟慎,洪健. 基于改进型Butterworth传递函数的高阶低通滤波器的有源设计[J].电子测量与仪器学报,2008(1):86-89.

[7] 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略[M]. 北京: 电子工业出版社， 2009.

A Synchronous Solution for Sound Driving LED Light Rotation

XU Yalei1， QI Kejun2， XIONG Xiaodong1

(1.Yangtze University Electronic Information Institute，Jingzhou 434023, China；2.WuhanAladinTech.Co.Ltd，Wuhan430200,China)

A synchronous solution, for sound driving LED light spinning, is proposed by extracting either sound signal amplitude or beat interval，which can control the rotation speed of a illuminating RGB LED ring in real-time. Based on the solution, a system is developed, which includes several sections such as voice pickup, envelope detection, low pass filter and a switching network. Experiments indicate that rotation speed of a luminous RGB LED ring, composed of multiple segments, changes linearly and automatically with signal amplitude or interval length. The system is possibly, as a new element, applied to performance stage, smart home and landscape flooding.

LED driving; luminous ring; sound-light synchronized; rotation control

TN203

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.019