基于ARM的舞台LED灯具光色控制系统的研究

任慧，李舒伟，刘洋

( 1.中国传媒大学 信息工程学院，北京100024；2.视听技术与智能控制系统文化部重点实验室，北京100024； 3.现代演艺技术北京市重点实验室，北京100024)

1 引言

舞台灯光源从早期的普通白炽灯，发展为高效的金属卤化物气体光源、三基色荧光灯光源、微波耦合触发光源、 LED光源，不断地向高效节能绿色的方向发展。其中大功率LED光源依靠无污染、高光效、寿命长等特点有取代传统光源的趋势[1]。由于LED光源亮度和光谱以及视觉效应与传统舞台专业灯具的色光性能具有很大差异，因而无法应用于舞台专业型聚光灯[2]。当前，白光LED光源合成方法主要有两种：(1)采用冷白色LED加暖白色LED混合，制作高亮度的色温可调的白光LED，但是以这种方法实现的白光LED的色度控制的准确性较差[3-4]；(2)采用红绿蓝LED混合成实现，并可对混合白光的色度进行准确的控制，然而这种方法由于其光谱中红色成份相对较小，显色指数仍与类似自然光源的卤钨灯有很大的差别[5-6]。为了解决以上问题，本文研究设计了一种舞台LED灯具光色控制系统。该系统采用ARM微处理器作MCU，在实时操作系统μC/OS-Ⅲ的基础上，采用PWM调光技术，依据RGBW四色LED混光模型，设计了拟合黑体轨迹的调光方法。同时，为了便于操作人员快速地使用四色LED模组调出所需的颜色，本系统设计还结合了HSI(H-色调，S-饱和度，I-亮度)调色程序与二次调光程序。

2 系统设计和硬件组成

2.1 系统整体方案设计

本控制系统主控制器采用以ARM Cortex-M4为内核设计的控制芯片，内核中集成FCU，能够很好地兼容各类数据的计算。主控制器通过RS485串口接收DMX512信号，并根据用户预先设定的地址，选取DMX512信号中对应地址的信号解析为PWM控制信号。同时主控制器还可以接收触摸屏输入的人机交互信号，同时将信号解析为PWM控制信号，输出的PWM控制信号控制LED驱动器调节LED电流来控制灯光色的改变。系统外设EEPROM用来存储用户设定的地址和灯光控制信号等状态信息，每次系统启动时都会从EEPROM中读取相应的状态信息，断电时将状态信息写入EEPROM中。DS18B20将实时采集LED的温度，并根据LED的温度高低调节散热器风机的转速，从而有效地降低LED的温度，保护系统的安全性与稳定性。系统的总体方案设计如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2.2 LED驱动电路设计

本系统的驱动电路采用LM3414芯片，该芯片是一种共阳极恒流降压LED驱动器，适用于单个信号驱动3W的高亮度LED，驱动效率可达96%。

LED驱动电路如图2所示。LM3414中集成了用于实现简单的计数电路的低边N沟道MOSFET管和电流传感元件，因此不需要升压电路和外部电流检测传感器。IADJ端接一个外部小信号电阻接地提供非常精细的LED电流调节。FS端为开光频率控制端口，通过一个接地的电阻器R2设置恒定开光频率，使得该电路不需要外部环路补偿网络也能减少电路的电磁干扰。该芯片特有脉冲电平调制方法用于实现稳定的电流输出和电路的高转化率。该驱动电路能够对输入LED的电流进行精细调节，在256步调光信号中实现对LED灯珠的快速响应控制。

图2 LED驱动电路设计电路图

2.3 通信接口模块设计

本系统的通信模块特别选择SP3485芯片作为信号收发电路控制芯片。该芯片能够完成3.3V的供电，有效地提高了数据传输的速度，让空间内的数据节点数量上升到三十多个。SP3485芯片中A、B 代表芯片的总线接口，能够与485总线相连。RO表示数据的输出端，而DI则表示数据的输入端。本系统设计中的 MCU与SP3485连接的电路详情如图3所示。SP3485与MCU的串口相连，实现MCU与网络节点之间的485通信。另外，R38和R40是两个偏置电阻，用来保证总线空闲时，A、B之间的电压差都会大于200mV(逻辑 1)。从而避免因总线空闲时，A、B压差不定，引起逻辑错乱，可能出现的乱码。

图3 RS485通信接口电路设计原理图

3 系统软件设计

3.1 拟合黑体轨迹的LED混光算法

黑体轨迹即普朗克轨迹，定义为理想黑体辐射的光谱在色品坐标下形成的轨迹线。热辐射光源发光原理与理想黑体相同，因此其色温变化时光色轨迹十分接近黑体轨迹[7]。为了使LED光源模拟热辐射光源的色温调节效果，本算法首先计算出色品图中黑体轨迹上色温范围2300K-3200K的色品坐标，在显色指数最大的约束条件下，计算出各色品坐标对应的RGBW混色比例和占空比，最终控制光源发出相应色温的白光。

LED混光算法流程图如图4所示。在算法流程中，目标色度坐标用查表法进行计算。确定目标色温遍历范围之后，需要对色温范围进一步划分并对目标亮度进行赋值。计算的程序色温遍历范围设定为2500K至8875K，步长25K。将混光算法目标光通量设定为可以尽量提高混合光的照度。运行程序，得到256个目标色温点所对应的混光系数数据。黑体轨迹上的色坐标作为拟合目标进行循环计算，在循环计算的过程中完成对混光光谱的显色性优化，最终得出一系列色温连续的光谱混光系数。这些混光系数可以直接作为RGBW四色LED光源的混光依据，指导灯具的控制系统对光源进行大范围色温连续调节。

3.2 PWM调光程序设计

根据LED光源的基本电气特性，本系统需要采用精确高效的恒流驱动方式，使光输出稳定可靠。PWM调光方式就是根据LED发光原理发展而来的一种调光方式。由于LED对电流的响应速度极快，因此可以采用足够频率的脉冲对LED进行恒流驱动。

根据PWM调光的基本原理，改变红光、绿光、蓝光和白光LED驱动电流的占空比，可以改变各自色光的强度，通过不同占空比的组合，就可以得到不同混合比例的光色。同时，不同色温的白光由不同比例的四通道LED混合得到。由于DMX调光指令范围为0-255，因此将拟合黑体轨迹的目标色温范围设定为2475K-8875K，步长25K，在MATLAB中计算得到256组混光系数。将该系数与系统中PWM时钟重装载值相乘，得到256组调光值，存储在二维数组中。色温调节时，根据DMX指令值读取相应的四通道PWM调光值，可以得到相应的混合光输出。在利用PWM方式调光的过程中，由于驱动电流总是处于最大电流的恒流驱动状态，因此LED的光谱不会随亮度改变，具有良好的光色稳定性。在调光过程中光源的色坐标和光谱基本保持稳定(不考虑结温的影响)，并且PWM占空比与光通量一般会呈现正比例的函数关系：L = K·L′(其中L表示目标亮度，K表示占空比，L′表示LED在满电流时的亮度)。

同时，LED属于半导体二极管，可以将电能直接转化成光能，发光响应速度达到纳秒级别。在对LED进行调光时，如果不对调光曲线加以设计会造成起光亮度跳变的问题。对于DMX协议而言，每一路调光指令为0-255，可以对DMX调光指令范围与16位调光精度范围(0-65535)做二次曲线映射，并将调光值存入数组。这样可以得到经过设计的二次调光曲线，避免了起光和闭光时的闪烁和亮度跳变问题，使LED光源亮度调节产生类似传统热光源灯具的效果。调光曲线如图5所示。

图5 二次调光曲线

3.3 连续色彩调节程序设计

为了便于操作人员快速地调出所需的颜色，本系统设计了HSI(H-色调，S-饱和度，I-亮度)调色程序，颜色调节原理如图6所示。在LED混光过程中，调节H(色调)可以使混合光的色坐标在色度空间内沿RGB三色构成的三角形色域的边沿移动，可以得到混合光的色调在红橙黄绿青蓝紫的色调范围内快速连续变化。确定混合光的色调后，通过调节S(饱和度)来控制颜色深浅，图中显示的线段M-W，从色调M连续变化过渡到白色W。因此，系统通过HIS调节程序可以方便地调出不同色调、不同饱和度颜色的LED灯光。

图6 HSI调色程序原理示意图

3.4 DMX512数据传输程序设计

本控制系统主要用于舞台下位机LED灯具，通过串口接收上位机发送的DMX512控制信号。任务流程如图7所示。当控制器通过RS485接收上位机发送的控制信号时，主控制器自动将用户设定的地址信息存入EEPROM芯片中，并检测DMX512信号中Break标志位是否存在，如果检测到中断标志位串口中断开启，根据EEPROM中存储的地址信息在DMX512数据中获取对应地址的灯光控制信号，在DMX任务主体函数中循环对缓存数据与本地数据进行校验，若有数据变化则传递新的数据至本地数组，并根据新数据将控制信号解析为PWM控制信号，驱动LED光源。

DMX信号捕获主要有两个全局变量，用于辅助实现低电平捕获。其中，TIM5CH1_CAPTURE_STA用来记录捕获状态，TIM5CH1_CAPTURE_VAL用来记录捕获到上升沿时当前定时器的值。串口接收数据函数用来接收DMX信号数据帧中携带的灯光亮度数据，由于第0帧为保留帧并无实际意义，因此数据接收从第1帧开始到第512帧结束。USART_ReceiveData()用来读取存储在UDR寄存器中接收到的灯光亮度数据。

图7 DMX调光任务程序流程图

4 结论

本文研究并设计了基于ARM的舞台LED灯具光色控制系统。该系统实现了对LED光源的大范围色温调节和色彩管理功能，同时数据流通信方式应用DMX512通信协议，方便与舞台灯具信息传递。另外，控制系统设计带有触屏的人机交互功能，能提供丰富的参数包括温度、点亮时长、DMX地址等信息，方便用户对单个灯具进行手动控制。该系统具有广泛实用价值和市场应用前景。