一種基於DALI協議可調節色溫的LED照明控制器的製作方法

2023-09-20 22:33:00

本實用新型屬於電子技術領域。

背景技術：

LED具有光效高、體積小、光譜窄、壽命長等特點，利用這些特性可以創造出優質且智能的照明環境。有研究指出，照明環境的光源色溫對人體生理機能調節起著一定的作用，而人最適應的色溫在一天之中也是隨之變化的，所以人們需要一個能夠根據實際需求對光源的色溫進行調整的照明控制系統。DALI協議是一種專門用於照明控制的協議標準；它具有的調光、場景選擇和燈具地址分配等功能非常適合用於各種場景下的色溫控制。在歐美已經有很多DALI系統應用於 LED照明的案例，但是在國內有關DALI的研究則不多。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於，結合DALI技術規範，設計了一個色溫可調節的LED照明控制器，並且具有實時反饋功能，以保證輸出光的色溫穩定。

為實現以上技術目的，本實用新型採用的方案是：

本實用新型所涉及到的一種基於DALI協議可調節色溫的LED照明控制器的主要結構包括R/G/B+W的LED陣列(1)、信號處理及驅動模塊(2)和反饋模塊(3)。信號處理及驅動模塊(2)包括一個微處理器MPU(2.6)、DALI接口電路(2.5)和4路降壓型LED驅動晶片 (2.1-2.4)；反饋模塊(3)包括一塊單片機MCU(3.1)、色彩頻率轉換晶片(3.2)和4通道DAC(3.3)。

信號處理及驅動模塊(2)負責通過DALI接口電路(2.5)與DALI 主控制器進行通信，並根據DALI命令分別驅動紅、綠、藍、白光四路LED，以匹配出滿足目標色溫的光譜。反饋模塊(3)通過色彩頻率轉換晶片(3.2)採集LED光源的輸出，經單片機MCU(3.1)處理後，通過I2C總線將數據傳遞給信號處理及驅動模塊(2)的微處理器MPU(2.6)。微處理器MPU(2.6)經過反饋運算後再通過I2C調整 4通道DAC(3.3)的輸出，從而改變LED驅動晶片(2.1-2.4)的模擬輸入端電壓值，以保證在出現光衰時，對應通道的LED輸出功率能夠得到補償，從而穩定輸出光的色溫值。

本實用新型的有益效果是該控制器與DALI協議完全兼容，可以直接掛載在DALI總線上使用。使用時不同路的LED被映射成四個獨立的DALI地址，因此可以自由地對任何路進行單獨調控，以獲得需要的色溫輸出。同時，防止了LED的光衰不一致性造成的輸出色溫偏移，使用反饋模塊實時監控光源的輸出情況，在色溫出現較大偏差時，自動調節每一路LED的輸出功率，使色溫基本保持不變。

附圖說明

附圖為本實用新型的控制器總體結構圖

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細說明。

一種基於DALI協議可調節色溫的LED照明控制器，其特徵在於：可同時分別控制紅綠藍與白光LED的輸出功率，從而匹配出滿足目標色溫的光輸出，並且可通過反饋模塊(3)實時監控和反饋調節，保證輸出光的色溫在光源長時間使用時也能保持不變。

說明書附圖是該控制器的總體結構框圖，其主要原理是信號處理及驅動模塊(2)與DALI主控制器進行通信，根據DALI命令分別驅動R/G/B+W的LED陣列(1)，匹配出滿足目標色溫的光譜；反饋模塊 (3)中色彩頻率轉換晶片(3.2)採集LED輸出光源的信息，並將採集的信息傳遞迴信號處理及驅動模塊(2)，微處理器MPU(2.6)經過反饋運算後調整4通道DAC(3.3)的輸出，以保證在出現光衰時，對應通道的LED輸出功率能夠得到補償。

微處理器(MPU)是整個系統設計的核心，選擇了LPC1114作為控制器的處理器，該處理器擁有豐富的片上資源，能夠同時輸出多路獨立的PWM信號以分別控制不同路的LED驅動電路。而且，LPC1114 還擁有完整的DALI支持庫，不需要再額外編寫底層的驅動程序。

DALI總線上的有效高低電平的典型值分別為16V和0V；根據 IEC60929標準，DALI總線上的最大電流限制為250mA，因此需要設計專門的信號收發電路。全橋整流晶片防止了因極性接反所可能帶來的風險。其中齊納二極體的防止了線上低電平時的信號誤讀，恆流晶片限制了DALI總線電流。

LED驅動晶片(2.1-2.4)選用了SD42524，該晶片是降壓型、PWM 控制模式、功率開關內置的LED驅動晶片，在30V直流供電情況下，最大輸出電流可以達到1A。該晶片除了可以通過改變PWM引腳上的輸入信號以調節LED驅動電流的佔空比外，還可以通過改變ADJ引腳上的電壓值來調節輸出電流的幅值大小。LED驅動的輸出電流幅值可以通過公式進行計算，公式為

為了使R/G/B+W的LED組合匹配出各種不同色溫的光輸出，需要計算每一路LED的平均電流幅值或恆流情況下的佔空比。首先利用積分球獲得每一路LED單獨使用額定電流(佔空比＝1)點亮時的光譜功率分布Si(λ)，同時設置每一路的佔空比係數為Di(i＝1，2，3，4)，其中i＝1、2、3、4分別對應紅光、綠光、藍光及白光通道，則匹配出的光譜的功率分布為：

反饋模塊(3)用於監視光源的輸出情況，當光源的相關色溫偏離達到一定值時，反饋模塊(3)將偏移信號通過I2C總線傳給LPC1114 進行處理。用於色彩頻率轉換晶片(3.2)為TCS3200，該晶片具有4 個通道，能夠感知光源的紅綠藍三個通道和全光譜輸出的積分值，並將其轉換為頻率信號。本設計中使用單片機MCU(3.1)C8051F330採集TCS3200的頻率信號並轉換成數位訊號，再通過I2C總線將該信號傳遞給LPC1114進行判斷和處理。MCP4728為帶有I2C接口的4通道 DAC(3.3)，它接收來自LPC1114的信號，給LED驅動的ADJ引腳提供模擬輸入。

反饋算法的目的是補償由於LED的光衰不一致性造成的色溫偏移，他最終調整的不是佔空比信號，而是LED驅動模擬輸入端的電壓信號UADJ，從而調整輸出電流的幅值，以實現對應通道的功率補償。因為紅綠藍三種LED在匹配光譜時的主要作用為調整光譜形狀，輸出的功率較低，利用率較低，且它們發出的光正好對應TCS3200的三個通道，因此在進行反饋時，不對白光LED進行額外的動作，而是通過調節紅綠藍三色LED的輸出功率來進行補償。設補償係數分別為 Ci(i＝1，2，3)，則最終匹配出的光譜的功率分別為由於TCS3200採集的是光源各通道的積分數值，而該數值與反饋模塊和光源距離的呈現出現平方反比的關係，因此在進行反饋時，使用相對通道值更為合適。設TCS3200紅綠藍三個通道的採樣值分別為R，G，B，相對通道值為r，g，b，則反饋模塊(3)上的單片機MCU(3.1) 通過TCS3200以10Hz的採樣速率對LED光源的光輸出進行採樣，並將數據通過I2C傳給LPC11114.當檢測到任意一個相對通道值與其初始值有較大偏差時，LPC1114將根據該通道偏移量的大小調節DAC對應通道的輸出，對光衰嚴重的那路LED進行幅值補償。