嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廣州市浩洋電子有限公司　陳　浩

嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廣州市浩洋電子有限公司陳浩

LED技術(shù)在舞臺(tái)燈領(lǐng)域的應(yīng)用不僅促進(jìn)了舞臺(tái)燈色彩表現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)也節(jié)約了大量的電力。當(dāng)前我國(guó)舞臺(tái)燈行業(yè)引入了嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，其大幅地提高了舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的相關(guān)軟件性能，有效地提升了各類舞臺(tái)燈照明燈具的可靠性，對(duì)于舞臺(tái)燈領(lǐng)域的發(fā)展而言有著重要的促進(jìn)意義。本文主要探討了嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。

嵌入式；舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

LED舞臺(tái)燈具有色彩表現(xiàn)能力出色、高節(jié)能以及使用壽命較長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此其受到了業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)舞臺(tái)燈效果的要求越來(lái)越高，而傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)已逐漸地?zé)o法適應(yīng)新時(shí)期下社會(huì)對(duì)舞臺(tái)燈照明及色彩表現(xiàn)等功能的要求。

1.嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)

1.1嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度更快

傳統(tǒng)的單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)所采用的是8位CPU的單片機(jī)，其處理信息能力較弱，因此導(dǎo)致8位單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度無(wú)法達(dá)到令人滿意的要求。相比8位單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)而言，嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)通常采用32位的STM32F103的芯片處理相關(guān)的信息，其有效地簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的程序以及相關(guān)電路，從而大大地提升了舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

1.2嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的光控能力更強(qiáng)

由于嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)使用了32位的中央處理器，其具有較高的穩(wěn)定性，能很好地適應(yīng)各種環(huán)境下的舞臺(tái)燈控制需求，因此其在一定程度上使得舞臺(tái)燈的光控能力以及色彩表現(xiàn)能力都得到了較大的進(jìn)步，嵌入式LED控制技術(shù)應(yīng)用于舞臺(tái)燈系統(tǒng)中，可以得到與無(wú)極四色光源相近的連續(xù)調(diào)光，而這些是傳統(tǒng)的8位單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)難以做到的。

1.3嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制表現(xiàn)更為突出

傳統(tǒng)的單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)由于信息處理能力上存在著不足，因此在運(yùn)動(dòng)控制方面上表現(xiàn)不盡如人意，由此可能無(wú)法營(yíng)造出相應(yīng)的舞臺(tái)氣氛。而更為先進(jìn)的嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度較快，因此在一定程度上可以較為輕松地處理相關(guān)的舞臺(tái)燈運(yùn)動(dòng)控制程序，從而能夠營(yíng)造出較好的舞臺(tái)效果［1］。

2.嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)整體控制設(shè)計(jì)

以往的單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)通常使用三個(gè)8位單片機(jī)，如此的組合形式在某種意義上大幅降低了舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的可靠性以及穩(wěn)定性。與此同時(shí)，由于8位單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的信息處理能力不強(qiáng)，因此其無(wú)法很好地控制舞臺(tái)燈的運(yùn)動(dòng)，從而容易造成舞臺(tái)效果偏差的現(xiàn)象出現(xiàn)。而新式的嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的32位處理器，最高工作頻率可達(dá)到74MHZ，因此其能夠呈現(xiàn)出多種功能，例如編碼器接口電路、ADC轉(zhuǎn)換電路以及高級(jí)定時(shí)器等［2］。

在嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，人們使用1個(gè)32位的中央處理器來(lái)替換以往控制系統(tǒng)的8片單片機(jī)，如此便能最大程度地降低相關(guān)系統(tǒng)軟件的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)外部電路的復(fù)雜性，從而能夠促使舞臺(tái)燈的相關(guān)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定流暢。嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)STM32F103芯片的設(shè)計(jì)運(yùn)用，使得控制系統(tǒng)能夠更加便捷地運(yùn)用細(xì)分動(dòng)作控制以及S型加減速控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)水平，也能使得系統(tǒng)可以對(duì)更加多級(jí)的PWM信號(hào)實(shí)施有效的控制行為，從而能夠在最大程度上對(duì)LED舞臺(tái)燈的亮度加以控制。嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)中擁有更多的熱敏電阻，如此便能有效地確保系統(tǒng)各類燈具的安全，防止燈具因過(guò)度發(fā)熱而被燒毀。

除此之外，嵌入式LED舞臺(tái)燈系統(tǒng)的相關(guān)軟件程序也得到了優(yōu)化，正因如此，軟件系統(tǒng)的程序數(shù)量得到了大幅度的削減，因此相較于8位單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)而言，嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)通信時(shí)間以及系統(tǒng)初始化的時(shí)間有了明顯的下降，其極大地提升了嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

另外，人們?yōu)榱耸沟们度胧絃ED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性以及可靠性，其往往會(huì)對(duì)嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)采用一些抗干擾的設(shè)計(jì)。例如設(shè)計(jì)人員會(huì)在控制系統(tǒng)內(nèi)使用DC/DC以及PFC級(jí)合為一體的電源開(kāi)關(guān)，如此設(shè)計(jì)能夠有效地減小系統(tǒng)的體積與電流的諧波畸變概率。嵌入式LED舞臺(tái)燈的線路較為密集且內(nèi)部結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜，這在一定程度上可能促使電源受到一定的干擾，因此人們一般采用三級(jí)電源穩(wěn)壓的工作模式來(lái)達(dá)到穩(wěn)定電壓，促進(jìn)系統(tǒng)電源效率得到有效提高的目的。一般來(lái)說(shuō)，人們?yōu)榱俗畲蟪潭鹊亟档拖到y(tǒng)受到的電磁干擾，通常會(huì)使用鐵磁材料制作嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)。

2.2系統(tǒng)溫度保護(hù)設(shè)計(jì)以及調(diào)光控制

①溫度保護(hù)設(shè)計(jì)。嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的LED光源布局非常密集，總體面積通常大于四百立方厘米，然而即便如此嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)內(nèi)部溫度通常仍不會(huì)超過(guò)合理的范圍。嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)能夠擁有如此強(qiáng)大的溫度控制能力得益于STM32F103芯片的應(yīng)用，由于該芯片應(yīng)用后嵌入式LED舞臺(tái)燈系統(tǒng)內(nèi)部擁有了五個(gè)熱敏電阻，其極大程度地提高了系統(tǒng)光源工作的穩(wěn)定性，賦予了系統(tǒng)較為突出的溫度控制能力。

嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的依靠先進(jìn)的溫度控制原理而獲得了出類拔萃的溫度保護(hù)控制能力，其具體原理是：熱敏電阻的電阻值隨著相關(guān)檢測(cè)點(diǎn)的溫度變化而發(fā)生相應(yīng)的改變以達(dá)到促使系統(tǒng)電壓值產(chǎn)生合理變化的目的。電壓值的相關(guān)變化在經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后會(huì)致使中央處理器的實(shí)時(shí)檢測(cè)值發(fā)生改變，此時(shí)嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的CPU會(huì)迅速把原先設(shè)定的相關(guān)閾值與系統(tǒng)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，此時(shí)若系統(tǒng)檢測(cè)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)值已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間地高于設(shè)定閾值，中央處理器則會(huì)立即調(diào)節(jié)PWM信號(hào)以實(shí)現(xiàn)降低LED平均驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度的目的。而如果嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的相關(guān)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)值超過(guò)設(shè)定閾值的時(shí)間并不長(zhǎng)，中央處理器則只用提升系統(tǒng)散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速便可較為順利地達(dá)成系統(tǒng)降溫，保護(hù)LED光源以及系統(tǒng)其他零部件的目的。

②調(diào)光控制設(shè)計(jì)。嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)由于采用了先進(jìn)的32位STM32F103芯片，其主頻率可以達(dá)到較高的數(shù)值，該芯片也在在提升PWM分辨率的工作上發(fā)揮了極其重要的作用，由此嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的連續(xù)調(diào)光能力便有了大幅度的提高。傳統(tǒng)的8位單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)芯片通常不具備過(guò)流以及過(guò)壓保護(hù)的能力，由于一些因素的影響，以往系統(tǒng)的放電過(guò)程中誤操作的幾率也比較大，而嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)采用了新式的驅(qū)動(dòng)芯片，其輸出的精度有了明顯的改善，并且具備較強(qiáng)的自我保護(hù)能力。

嵌入式LED舞臺(tái)燈系統(tǒng)中恒流驅(qū)動(dòng)電路與CPU控制電路構(gòu)成了PWM調(diào)光控制機(jī)制。恒流驅(qū)動(dòng)電路能為燈具提供較為穩(wěn)定的電流，效率較高。CPU通過(guò)接收不斷變化的PWM信號(hào)來(lái)完成調(diào)光控制工作［3］。

2.3系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制

①系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)化控制。嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)運(yùn)用PWM的方法來(lái)達(dá)到控制電流的目的，在此過(guò)程中采用64細(xì)分的方式，該方式是目前嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)領(lǐng)域最為常見(jiàn)的細(xì)分方法，其通過(guò)有效地減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方式來(lái)最大程度地改善原先電機(jī)運(yùn)行噪音較大的情況。

②嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)S型加減速控制。傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)在垂直、水平步進(jìn)電機(jī)的體積以及質(zhì)量控制等方面的工作上乏善可陳，因此以往的步進(jìn)電機(jī)通常較為笨重，而先進(jìn)的嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)一般使用S型加減速控制步進(jìn)電機(jī)，該種電機(jī)運(yùn)行方式得到了有效的優(yōu)化，因此其較以往的舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)而言在噪聲的控制方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀況也因步進(jìn)電機(jī)S型加減速控制的運(yùn)用而趨于平穩(wěn)化，相關(guān)LED光源的使用壽命也得到了一定程度的延長(zhǎng)。除此之外，由于步進(jìn)電機(jī)采用了S型工作方式，步進(jìn)電機(jī)機(jī)身的質(zhì)量與體積明顯縮小，所占空間減小，其為為原本不大的舞臺(tái)騰出了更多的空間，在某種意義上更有利于舞臺(tái)表演人員相關(guān)演藝活動(dòng)的開(kāi)展，促進(jìn)舞臺(tái)氣氛趨于活躍。

3.結(jié)語(yǔ)

相比于傳統(tǒng)的8位單片機(jī)舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)，先進(jìn)的32位嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)無(wú)論是在節(jié)能減排、光控能力以及對(duì)舞臺(tái)燈的運(yùn)動(dòng)控制上都有著較大的優(yōu)勢(shì)，這得益于嵌入式LED舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)以及優(yōu)良的制作工藝，因此有關(guān)方面應(yīng)當(dāng)再接再厲，不斷糾正自身不足、積極開(kāi)拓創(chuàng)新，從而為舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)行業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。

［1］呂建平，孔亮，曹發(fā)海.二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動(dòng)器研究［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（09）.

［2］彭穎茹，蔣偉楷，林學(xué)貴，等.UHP光源舞臺(tái)燈具控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)［J］.自動(dòng)化與信息工程，2012（03）.

［3］董亮輝，劉景林，李昱.步進(jìn)電機(jī)寬調(diào)速多細(xì)分控制系統(tǒng)研究［J］.測(cè)控技術(shù)，2012（01）.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)實(shí)驗(yàn)室研究基金項(xiàng)目。