基于电力载波通信的LED驱动与群控系统设计

林龙森

1 系统整体设计

1.1 系统解决的关键问题

现在，许多LED灯具需要集中群控.比如家居中的吸顶主灯、筒灯（可能不止一路）、氛围灯带、背景射灯等，属于典型的灯具群控案例.LED灯具种类多、应用范围广［1］，类似的LED控制系统需要非常多的控制线路和开关，如果灯具本身还具有“色温调节”“亮度控制”等功能，其复杂程度将成倍增加，对布局和施工等方面提出了更高的要求.

目前，解决LED群控的线路简化问题大致有无线遥控［2-3］和局域组网［4］等方案.这些方案或多或少对网络环境、建筑格局和设施设备有一定的要求，且存在辐射、节能等方面的问题［5］.本文采用的电力载波方案将所有的控制信号调制到电力线上，在升级功能、节省线路的同时也避免了上述缺陷.

1.2 系统组成原理

系统在不增加布线难度和成本的情况下，简化设计，并增加灯具的色温控制、亮暗调节等功能，通过开关和旋钮，利用电力载波技术实现对多个LED的集群控制.系统设计主要包括如下几个部分：LED恒流驱动设计、色温和亮度调节电路设计、电力载波调制解调模块设计、系统核心控制单元设计.子节点的组成框图如图1所示.

图1 子节点组成框图

作为一个多节点的群控系统，从组成上看，不同子节点仅是具体参数略有差别.由于信号通过电力线传输，主节点和子节点都需要有电力载波模块负责信号的调制解调.主节点检测用户的人机交互动作，转换成控制命令和数据，并根据协议和各个子节点通信.子节点负责接收相应信号，控制LED恒流驱动和色温/亮度调节模块，实现对LED灯的控制.

2 LED驱动单元设计

2.1 LED恒流驱动与亮度调节

（1）LED驱动芯片.大部分LED恒流驱动属于PWM控制的降压型电路［6］.考虑到系统增加了色温和亮度调节等方面的功能，LED驱动单元至少需要满足以下三个方面的要求.首先，LED采用恒流驱动才能保证让灯芯工作在舒适区，并使发光稳定.其次，为了节省电路环节，驱动电路一般直接采用220V市电为系统供电，LED的电源通过市电降压获得.最后，系统需要色温、亮度调节，因此输出的恒流工作点需要能够按需设定和调整.

综合考虑上述因素，LED的驱动芯片选择了BP2838，芯片内部集成有高压功率场效管，并通过逻辑控制单元实现对场效管的开关控制.芯片适用于85Vac～265Vac全范围输入电压，允许市电整流直接输入.同时，芯片支持PWM调光，拥有高精度电流采样和多重保护功能，满足恒流设定和输出功率调节的需求.集成式的功能能够降低整机成本，提高效率.

（2）LED恒流电路设计.图2为BP2838的调光电路.BP2838市电通过桥式整流滤波实现220V的AC-DC变换，然后利用内部功率开关和L1、D2、C4组成BUCK拓扑结构，实现降压.Rcs电阻对经过内部场效管的电流进行采样，利用运放与内部400mV的基准源进行比较运算，控制场效管的PWM驱动信号.因此，外接LED灯串的恒流点与采样电阻紧密相关.同时，系统的储能电感也需要设计和调试，使其和整机工作状态匹配.

图2 BP2838的LED恒流电路

例如，本系统采用的是220mA的灯珠，按灯串的并联路数为2，串联的灯珠数为20颗计，由于峰值电流Ipk为LED电流ILED两倍，需要配置的恒流电阻系统的储能电感LED负载的电压，灯珠的额定电压约3V，VLED约为60V；母线电压VIN以373V计；f是芯片的工作频率，随着输入电压的升高而有所升高，这里以40kHz计.最终估算得到L的电感量约为2.6mH.在具体应用时，按照工程的方法对电路作了一些微调处理.如在LED两端并联电阻来平衡LED灯的电流（R5、R6、R7）；电阻 Rcs改为3个电阻并联（R8、R9、R10），提升了取样的功率，易于对LED灯电流作出微调.

2.2 LED色温可调和亮度控制

LED色温可调通过RGB多基色调节技术［7］或者冷暖混光调节［8］技术实现.相比较而言，冷暖混光的方法技术简单、成本低［9］.在对色温没有很高精度要求的场合，该方法是最佳选择.

因此，系统通过两个BP2838芯片控制冷光（13000K左右）和暖光（3100K左右）两路灯串.灯串的具体串并联个数由灯具的实际应用决定（见图3）.

图3中，单片机控制器通过调节冷、暖光的LED输出PWM信号，控制混光的具体比例来调节整个灯具的色温.在灯板的PCB布局中，需要将冷、暖光灯珠混合交叉布置，并选择合适的灯罩才能得到较好的显色效果.

图4 过零检测FSK调制解调电路

3 电力载波模块

3.1 基础电力载波模块与通讯模式

电力载波芯片选用宏迅电子的HLPLCS520，芯片集成了FSK调制器、DSP处理器、电源管理器、UART 模块等单元［10］.系统利用芯片，采用FSK（频移键控）的方式将信号调制到电力线上，同时，将电力线上的信号通过滤波、放大，解调出需要的信号.因此，整个基础电力载波模块主要包括发送功率放大与耦合、接收信号退耦与滤波放大、芯片控制与过零检测三个部分.

设计的电力载波模块能够方便与UART协议接口，可以设置为两种通讯模式，普通模式通讯和过零触发通讯.普通模式属于实时通讯，易产生干扰，限制了布线环境和布线距离.过零触发通讯只在零点信号有效时通讯，但市电频率50Hz，过零触发通讯产生的10ms数据间隔依然可以满足LED控制的响应要求，完成人机交互.因此，本设计采用过零点传输通讯模式.图4为带光耦过零检测输出的调制解调电路.

图4中50Hz的220V电力信号经过整流，驱动光耦IC4，获得过零信号Zin进入芯片13脚.电子载波芯片根据UEset、Zin等控制信号，通过与单片机的通信数据接口（TXD、RXD），调制和解调电力线上承载的数据信息.

3.2 信号处理

FSK调制后的信号由HLPLCS520的10脚FSKOUT输出，但由于功率不足，需要放大才能驱动耦合变压器（见图5）.

图5 电力载波信号功率放大输出电路

图5中输出信号经过场效管Q1、Q2推挽输出实现信号的功率放大，其中 R5、R6、D3、D4为场效管保护和泄放电路，D5、D6为续流二极管.信号经过电感L1、L2，电容 C2、C5滤波，驱动耦合变压器，将FSK信号耦合至电力线上.

同样，识别电力线上承载的信号也需要退耦、滤波和放大（见图6）.

图6 电力载波信号输入滤波放大电路

耦合变压器截取来自电力线的交变信号，通过设计的窄带滤波器（R20、C15、L4、C13、L3、C16），检出符合要求频段的FSK信号.该信号过于微弱，因此经过 Q3、Q4、Q5三级共射放大和隔离（C14、C11、C12）将信号放大后加载至芯片FSKIN（16、17）脚.芯片负责将此信号解调，回成RS232信号.

3.3 基于电力载波的拓扑结构

利用设计的电力载波模块，系统以控制开关为核心，用星型拓扑的模式实现对各个LED灯具的群控（见图7）.

图7 系统的通信拓扑结构

整个系统控制方式属于一主多从的模式，所有的操控听从于主控制开关的指令.因此，每个节点都配有电力载波模块负责信号的调制和解调，通过控制器协调各个节点的动作.

在通信的过程中，所有的节点都共享总线，因此需要遵循一套协议，保证数据通信的有效和顺畅.

3.4 产品的自定义协议

在基于电力载波的群控LED星型拓扑结构中，信息被整理成数据包进行通讯.数据包以自行定义的协议发送数据帧.该协议的帧结构如图8所示.

图8 通信数据帧结构

其中，帧长度部分占用1个字节，它表示整个数据帧的字节数（包括本身的字节）.站号部分占用1个字节.系统为每一个节点都设置一个站号，接收方只接收属于自己站点的数据帧.命令/数据部分用于传递命令或数据，视具体通讯要求.系统主要用到的命令字如表1所示.有的命令字后将会跟随数据.如开灯命令将会跟随1个字节的色温数据、1个字节的亮度数据.

表1 主要命令字表

在数据通讯过程中，要实时保证“一主多从”的通讯模式，防止总线冲突和竞争.通信开始时，所有子站点处于接收待机态.主控站点群发公共控制命令（开始），接收到命令的对应接收站点（LED灯）开启接收模式，其他站点关闭接收通道.接下来，主控站点就可以对目标接收站点实行私下的点对点通信.当通信结束时，主控站点群发公共控制命令（结束），所有子站点再次处于接收待机态.如上所述，通讯流程大体分为开始、通信、结束三个环节，涉及到单片机TB8、SM2等多个通信控制位，按照通讯要求，每个环节的具体配置如表2所示.

表2 通信环节与配置

4 STC8主节点控制模块设计

4.1 主节点的系统组成

主节点系统框图如图9所示，控制核心为STC8单片机，负责读取输入的开关信号和编码信号，控制指示灯，并通过电力载波模块和其他灯具通信.在系统中，液晶显示属于选装件，配上液晶可以使主控设备有直观的显示，人机交互效果会更好.

图9 主节点系统框图

主控能够单独控制各个LED灯具，包括色温和亮度调节.目前，系统支持四路LED灯控制，分别是主灯、筒灯、射灯、灯带.为了控制方便，为每一路单独设置有按键，每一个开关都带有各自的LED指示，当进入该灯的操作模式时，LED亮起，表示可以对灯进行色温调节和亮暗控制操作.

主节点是人机交互的重点，也是整个群控的核心控制部分.为了使人机交互更直观、便捷、有效，用户涉及到的操作对象（按键和开关）要尽量少，而能够控制的功能又要尽量多.系统采用了用户体验良好的旋转编码开关，将全部LED的亮暗和色温调节功能整合到一个旋钮编码开关上.同时又保留4个独立按键分别控制4个LED灯的开关，提高使用的便捷性.系统增设旋转编码开关负责色温和亮度的调节.该编码开关提供一个基础按键功能和无级旋转功能.开关旋转时，通过两路信号的相位差，识别左右旋方向，记录旋转动作信号［11］.

4.2 主节点的工作流程

主节点按键交互及其工作流程如图10所示.

图10 主节点系统框图

在该流程中，普通按键开关的检测优先级最高.开关负责灯具的亮暗，以及是否让灯具进入受控模式.旋转编码开关的检测优先级次之，并且只有在灯具亮起，且进入受控模式时，旋转编码开关才有效.受控模式在长时间没有接收到有效操作的情况下，自动退出.

5 结论

本文设计的LED驱动与群控系统以电力载波作为设备间的通讯手段，用冷暖混光的方式通过PWM调节色温和亮度，在提升功能的同时有效地节省了布线的人力物力成本.产品设计了一套适合星型拓扑的“一主多从”通讯协议，除了可应用于LED灯群控等智能家居，在局域环境监测、舞台灯光等方面也有一定的应用范围，有较大的应用前景.