应用ARM的高显色性色温可调照明系统设计

胡奕彬，郑新旺

（集美大学诚毅学院,福建 厦门 362021）

光源的色温变化对人的昼夜生物规律有重要的影响，良好的显色性可以还原物体真实的颜色，给予人良好的视觉体验，因此高显色性及色温连续变化的白光可以有效提高照明环境品质[1-2]。与传统荧光灯、白炽灯等光源相比，LED具有高效率、直流低压驱动、寿命长、光谱丰富等优点，被广泛地应用于各种照明场合。LED发光亮度与其PWM调制占空比大小成正比关系，利用这个特点可实现亮度精确调节、色温调节、彩色照明、提高显色性等效果[3]。

近年来，无线传感与嵌入式技术在照明控制领域被广泛的应用。其中Zigbee无线网络技术具有低功耗、低速率和低成本等特点，Zigbee与LED照明相结合，有效地利用了其在短距离无线传输的优势，在便于控制的同时具有维护方便、节约成本等特点。基于ARM的嵌入式系统具有低功耗、低成本等优点，以ARM平台作为照明控制终端，可利用QT、GTK+等图形用户界面库开发友好的用户交互环境。LED照明技术与智能控制技术结合，为实现高品质、多样化的照明环境提供了基础。本文介绍的照明控制系统采用基于ARM嵌入式Linux平台作为用户控制终端，Zigbee网络技术构建照明系统的通信网络，采用多基色LED作为光源，实现具有控制便捷、色温可调、高显色性的高品质照明系统[4]。

1 系统设计方案

1.1 系统总体图

系统采用模块化设计，分为控制模块、发送模块（协调器）、接收模块（照明节点），系统原理图如图1所示。其中图1（a）为控制模块，采用的是基于ARM的嵌入式平台，其主要功能是提供人机交互界面、接收调光指令，并将调光指令、调光参数等发送至发送模块（协调器），同时支持PC机、手机等设备作为控制模块。例如对某个照明节点的色温进行调节，则根据预先存储的参数计算出实现显色指数最高的调光配比。

图1（b）为发送模块（协调器），主要由Zigbee协调器、MSP430微控制器、以太网控制模块。以太网模块接入无线路由器；MSP430控制器负责配置以太网模块，建立网络服务端等待控制模块客户端的接入，并通过UART将控制终端发来的调光指令发送给Zigbee协调器；Zigbee协调器负责组建Zigbee网络，并将调光指令广播至照明节点。

图1（c）为接收模块，接收模块由若干个照明节点组成，每个照明节点由Zigbee节点、MSP430微控制器、LED驱动电源、多基色LED光源模块组成。其中Zigbee节点加入由Zigbee协调器组建的网络，并接收调光命令，若是本节点的指令则将参数发送至MSP430微控制器；LED驱动电源为LED光源模块提供直流电源；MSP430微控制器通过定时器产生多路PWM信号至LED驱动电源，当接收到调光指令后，改变多路PWM信号的占空比，实现调光调色。

图1 系统结构框图

1.2 系统硬件

控制终端采用九鼎科技的X210开发板，其主控芯片为三星ARM Cortex-A8架构的S5PV210处理器，主频高达1GHz。开发板板载512M大容量DDR内存、4GB eMMC，可轻松运行嵌入式Linux操作系统及QT GUI库；板载触摸屏及DM9000，实现触摸控制及以太网通信。发送模块与接收模块的控制器具体型号为TI公司的16位单片机MSP430F5529，该芯片是目前业界功耗最低的单片机之一，且具有多个UART接口、以及具有多路PWM输出的定时器，足以满足系统需求。照明系统中的Zigbee协调器、节点采用TI公司的CC2530芯片搭建。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、Zig-Bee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（Soc）解决方案，其集成度较高，能降低硬件成本，简化布线工作。CC2530具有五种的运行模式，通过运行模式调节，可以显著较低系统功耗。

2 光色度控制方案

目前已有不少具有调色调光功能的照明应用，但是存在着显色性低、调光不够精确等问题。常见灯光色温、颜色调节方案有：(1)采用红、绿、蓝三基色LED组合；(2)采用冷暖白光LED组合；(3)采用白光LED与三基色LED组合。理论上，这些方案都可以产生色温动态可调的白光，但是方案1和方案2难以合成高显色性白光，方案3不但可以合成高显色性色温可调白光，还可以合成各类彩色光，因此光源采用WRGB-LED[5]。

2.1 高显色性可调色温白光的实现

采用CIE推荐的光源显色性评价方法来评价光源的显色性，即根据14种样品色来计算显色指数。合成白光的光谱密度函数S(λ)可表示为：

式中Sn(λ)和Dn(λ)分别为第n种LED光源的光谱密度函数和调制占空比[6]。通过调节Dn(λ)可以改变合成白光的光谱分布，进而得到高显色性色温可调白光。根据合成白光的光谱分布，可以得到合成白光的三刺激值X,Y,Z，以及色坐标(x,y)。

在合成白光照明下，14个试验样品的三刺激值Xi,Yi,Zi由式(4)计算：

系数βi(λ)为第i号试验样品的反射系数，最终可以计算得到14个试验色的色坐标(xi,yi)(i=1,…，14）为

得到合成白光色坐标后，采用经验公式(6)得到其色温[7]

式中R（n）为9个特定系数；A是等温线斜率的倒数：

根据合成白光相关色温CCT选取参考光源，当色温低于5 000 K时用普朗克辐射体作为参考光源，色温高于5 000 K时采用标准照明体D作为参考光源。LED合成白光光源的特殊显色指数Ri定义为[8]

式中ΔEi为第i个色样在标准照明体与待测白光下的色差，由式(9)计算得出：

其中(Wi,Ui,Vi)和(Wri,Uri,Vri)分别为待测白光与参考光源照明下试验样品的颜色空间坐标。其中参数Wi,Ui,Vi的计算式为：

（11）式中合成白光光源的c、d，标准参考光源的cr、dr以及合成白光照明下各颜色样品的ci、di均由(12)计算：

式中u、v为均匀色度坐标，与色坐标x，y的转换公式为

为简化计算，标准参考光源的色度学参数Wri、Uri、Vri、ur、vr可以采用奥尔特斯经验公式f=b+pm+qm2计算 ，式中 f为 ur、vr以及所要计算的参数 Uri、Vri、和 Wri、b、p、q 为对应参数的系数，m=104/T。

在照明光源显色性评价中，常使用一般显色指数Ra定义为：

根据上述显色指数计算模型，编写了显色指数模拟计算程序，根据光谱分布计算出光源显色指数，并通过遍历的方式得到显色指数较高的光谱分布组合。采用远方HAAS-2000光谱分析系统测得暖白、红色、绿色和蓝色4种LED在满电流下的光谱功率分布，将光谱数据导入模拟计算软件，选择合适的范围进行遍历计算，挑选出显色指数大于93的组合。表1为部分模拟计算结果，模拟计算表明，采用WRGB-LED组合、PWM调制的方式可以获得色温介于2 600～9 000 K，色温连续变化，显色指数介于94至96的高显色性白光。

表1 部分模拟计算结果

2.2 灯光颜色调节的实现

彩色照明可以有效渲染环境氛围，光源颜色调节可通过改变三基色光的比重来实现。目前照明产品常见的颜色调控方案有：（1）直接调节三基色比重；（2）内置固定几种颜色；（3）通过屏幕取色。方案（3）依据触摸的屏幕像素点的三基色比例来调节三基色光源的配比，以此发出相应颜色的光。但是当显示屏像素与照明光源三基色单色光通量、色坐标差异较大时，照明光源颜色会与显示屏颜色存在较大差异。因此，采用在控制终端引入CIE色度图，通过在色度图上取点的方式来控制灯光的颜色，同时也保留其他取色方式。

根据混光定理，三种颜色混合光的色坐标必定在三种单色光色坐标所围成的三角形内，因此三角形内的色坐标对应颜色为混合光色坐标可取值的范围。如图2所示，在控制终端的CIE色度图中，以三色单色光色坐标为顶点画出三角形，区域内为可合成的颜色。

首先测得三基色光源的色坐标和满电流光通量，然后根据色坐标在色度图中绘制合成光可实现的区域，最后根据选中的像素点在色度图中对应的色坐标，由式(15)～(17)计算出三基色对应的PWM 调制占空比，式中 Xn、Yn、Zn分别为三基色的三刺激值，(xn,yn)、Ln和Dn分别色坐标、光通量、调制占空比,(xm,ym)为合成光的色坐标。

图2 混光计算示意图

3 系统软件设计

3.1 MSP430控制器程序设计

图3和图4分别为发送模块与接收模块的MSP430程序流程图。其中，发送模块中的MSP430负责初始化以太网模块，建立网络服务端，监听网络数据，若接收到数据则通过串口发送至Zigbee协调器；接收端的MSP430接收Zigbee节点发送来的数据并且调节LED灯亮度。对于MSP430F5529，可以通过定时器TA0的比较模式产生多路占空比可调的方波，其中，寄存器TA0CCR0用于设置计数周期，其值与定时器参考时钟共同决定PWM信号的周期；寄存器TA0CCR2-TA0CCRn等决定多路PWM信号的占空比。为了降低功耗，可以将MSP430设置工作在低功耗模式。

图3 发送模块MSP430单片机程序流程图

图4 接收模块MSP430单片机程序流程图

3.2 ARM控制端程序设计

根据系统需求，采用QT Creator编写测试用控制终端程序，然后通过交叉编译，生成可以在ARM平台上运行的程序。控制终端程序具备这几个功能：(1)触摸屏控制；(2)网络通信功能，作为客户端连接局域网内的服务端；(3)单个或多个照明节点控制；(4)灯光亮度、颜色、色温等参数调节。借助QT Creator的UI设计器可以快速地完成程序界面设计，在设计界面添加需要的窗口组件，由设计器自动生成相应的代码。首先自定义并实例化一个继承自QT提供的基本窗口类QWidget的窗口对象类MyWidget，该对象作为控制软件的主窗口，也是其他组件的父组件。其他界面组件还包括(1)QLabel：负责加载CIE色度图、色温条、显示文字标题等；(2)QPushbutton：实现按键控制功能；(3)QRadiobutton：实现控制照明节点的选择；(4)QVerticalScrollBar：通过拖动滑杆实现WRGB光源的比重控制。网络通信通过QTcpSocket类来实现，其connectToHost()方法实现与服务器的连接。

通过绑定相应的信号与槽函数可以实现按键按下、滑杆拖动等事件处理。要实现触摸CIE色度图、色温图上实现灯光颜色、色温调节，需要识别触点的坐标。因此定义一个继承自QLabel的类MyLabel，实例化该类用于加载色度图和色温图，同时重写该类鼠标按下事件处理函数mousePressEvent(QMouseEvent*evt)，通过变量evt可得到触点坐标，从而得到触点在色度图中的坐标或色温图的中位置；同时需要重写该类的绘图事件处理函数paintEvent(QPaintEvent*event)，在该函数中绘制三角形区域。具体的调光调色方法在上文已阐述，其中所需要的光谱功率分布、光通量、色坐标等参数可以通过配置文件的形式存储于系统中，若光源改变了则修改相应的配置文件。图5为控制软件在ARM平台上运行效果图。

4 实验测试

4.1 灯光颜色调节测试

采用远方HAAS-2000光谱分析系统对灯光颜色调节进行了测试，将WRGBLED光源模块放置于光谱分析系统的积分球内，此时光源模块中的白光LED处于熄灭状态。随机在CIE色度图上选择几个目标点，光源发出与其对应的颜色。表2为所选择点坐标以及对应的测试结果，可以看出所选择的目标色坐标与实验测得的色坐标基本一致，误差非常小，可见该光源颜色调节方法是可行的。

图5 ARM终端灯光控制程序

表2 CIE色度图取色理论计算与实验结果

4.2 高显色性白光色温调节测试

同时对高显色性白光色温调节进行了测试，根据表1的模拟计算结果进行试验验证，表3为试验测试结果。从模拟计算和实验结果可以看出，模拟计算在色温为8 173 K时获得最佳显色指数95.65，实验测得的色温和显色指数分别为8 184 K、95.6。理论计算和实验测得的显色指数Ra平均值分别为94.54、94.55，色温的理论计算值和实验测量值平均误差为19.4 K，显色指数Ra平均误差为0.16，理论计算值和实验测量值的差值都较小，可见理论模型的正确性。图6为实验中其中4组HAAS-2000测试报告，该测试报告给出包括15种特殊显色指数在内的详细光学参数。由于采用的调光策略是获得最佳的一般显色指数Ra，因此个别特殊显色指数存在较低数值，对于对单一特殊显色指数有特殊要求的应用场合，同样可以采用本文的调光方案[9-10]。从图6的光谱功率分布图可以明显看出，WRGB-LED合成白光在中心波长495 nm左右的比重较低，因此，若是在光源模块种增加波长在490 nm左右的青色光LED，有望进一步提高白光的显色指数。

表3 色温调节测试结果

续表3

图6 实验中4组HAAS-2000测试报告

4.3 误差分析

通过表2～3具体数据可得，显色指数、色温、色坐标色温调节理论与实际检测值仍存在一定的误差，产生偏差的主要原因如下：

（1）由于LED结温升高会引起光谱漂移、出光效率降低，从而导致测试时光谱分布与理论计算采用的光谱分布不一致。增加散热片或等待光源温度稳定再测试光谱分布等方法可以降低温度引起的误差。

（2）本文近似地认为PWM的占空比与光通量呈完全线性关系，但是实际上由于不同PWM占空比的驱动电流对LED温度、导通电阻的影响并不同，因此公式(2)线性叠加表示混合白光光谱虽然简单，却会带来一定误差。该方面的误差可以通过文献[11]所述的通过实验测试数据拟合PWM占空比与光通量的方法来降低。

5 结论

针对现代生活对高品质照明环境的新需求，本文设计了一种高显色性色温可调、颜色可调的照明控制系统。系统以ARM平台作为照明控制终端，Zigbee技术组建无线照明控制网络，多基色LED作为可调光源。同时考虑到现在家庭都具备网络路由器，因此ARM终端与Zigbee终端都接入同一个局域网，为拓展其他控制设备如手机、电脑提供了便利。在调光算法方面，建立了显色指数计算模型，得到各个色温段获得最佳显色指数的调光配比并存储于控制终端中。搭建样机并根据模拟计算结果进行实验测试，得到了2 600～9 000 K范围内色温可调、同时Ra保持94.5左右的高显色指数LED白光。该系统具有控制便捷、色温可调、显色性高、色彩丰富等特点，为现代高品质智能照明系统设计提供了设计参考。