基于微控制器簡(jiǎn)化照明應(yīng)用的設(shè)計(jì)

商業(yè)照明的獨(dú)特之處在于，在典型的商業(yè)建筑中發(fā)生了各種各樣的任務(wù)。由此產(chǎn)生的向LED和高效照明的轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的照明控制帶來(lái)了計(jì)算機(jī)化的復(fù)雜性。新型高效照明的標(biāo)志是照明模式和刷新周期的數(shù)字脈沖寬度調(diào)制（PWM）。數(shù)字控制對(duì)于高壓直接控制照明和低壓照明都很常見。

為了解決多種應(yīng)用問(wèn)題，不僅要使用多個(gè)燈泡，還要在同一個(gè)燈具中使用多種顏色的光源，而這些燈光又需要進(jìn)行混合才能產(chǎn)生各種照明效果。這些混合和控制功能由嵌入式微控制器解決方案處理，包括照明燈具和用戶控制界面。

商業(yè)照明任務(wù)

如今的大多數(shù)商業(yè)照明都是由大型管狀冷白（藍(lán)色）熒光燈組成。這些照明光源包括用于天花板面板中辦公桌和辦公空間的頂部照明，支配小隔間和辦公桌的柜臺(tái)燈，以及用于會(huì)議區(qū)，車庫(kù)，樓梯間和高天花板應(yīng)用的開放式高瓦數(shù)燈（見圖1和2）。這些燈的主要功能是“日光模擬”，陰影最少。

圖1：吊頂燈。

圖2：大面積照明。

這些燈通常具有開關(guān)功能，并且每天開啟超過(guò)16小時(shí)。高頂燈 - 通常用于會(huì)議區(qū)域和大型入口 - 也可能包括調(diào)光控制。商業(yè)空間的增長(zhǎng)趨勢(shì)涉及通過(guò)窗戶和開放空間引入的陽(yáng)光補(bǔ)充動(dòng)力照明。這些建筑特征正在推動(dòng)所用照明類型的重大變化。

建筑照明的目標(biāo)是區(qū)域的光覆蓋均勻性。然而，自然光的顏色，強(qiáng)度和方向全天都在變化，但至少?gòu)?qiáng)度可以通過(guò)百葉窗和窗簾來(lái)控制。結(jié)果，在桌子和天花板上的填充照明被大量使用。這些填充裝置傾向于用調(diào)光器控制，以幫助優(yōu)化房間的光平衡。

基于傳感器的解決方案和挑戰(zhàn)

隨著公司向這些混合照明環(huán)境邁進(jìn)，他們還通過(guò)使用室內(nèi)傳感器來(lái)確定“開啟16小時(shí)”問(wèn)題，以確定如果房間正在使用，請(qǐng)?zhí)砑印＿@些系統(tǒng)不是使用手動(dòng)“人工操作”調(diào)光器做出這些決定，而是使用遠(yuǎn)程和本地嵌入式微控制器來(lái)確定正確的照明應(yīng)該是什么。

微控制器的關(guān)鍵輸入是基于傳感器反饋的定義狀態(tài)表。這些系統(tǒng)沒有大型復(fù)雜的GUI，但通常具有簡(jiǎn)單的觸摸屏或按鈕。他們也可能沒有展示和自主工作。傳感器向MCU傳達(dá)關(guān)于亮度水平，運(yùn)動(dòng)和接觸的信息，盡管一些傳感器可以提供具有顏色識(shí)別的全照片成像。

新的控制功能

隨著新傳感器的推出，也采用了新的照明類型。 LED和OLED/AMOLED燈的興起增加了照明的復(fù)雜性以及可用選項(xiàng)的數(shù)量。

傳統(tǒng)燈具有單色可供選擇。整個(gè)燈串/燈管/燈泡/燈具使用共同的啟動(dòng)電路并產(chǎn)生單一基色，通常由容器中氣體和燈絲材料的化學(xué)組合定義。然而，LED是小尺寸的電子燈，可以以不同圖案的陣列混合以產(chǎn)生大面積光源。結(jié)果，可以將不同峰值顏色的光混合在一起。 LED的顏色范圍從單色（如藍(lán)色，紅色，綠色，橙色，黃色和琥珀色）到白色的多種色溫。

有新的混合顏色模塊 - 白色和琥珀色;白色，紅色，綠色和藍(lán)色;白色，琥珀色，黃色和藍(lán)色;和白色的多個(gè)色溫。這些混合光源為模塊中的每個(gè)LED使用單獨(dú)的PWM控制和驅(qū)動(dòng)器，并且還可以組合成用于大面積覆蓋的串?；旌项伾蕴峁┨囟ǖ妮敵鲱伾侵苯拥牟⑶铱梢援a(chǎn)生混合表，該混合表識(shí)別特定LED需要的任何驅(qū)動(dòng)器控制以便產(chǎn)生特定的光顏色和強(qiáng)度。

微控制器選項(xiàng)

對(duì)于照明應(yīng)用，有四種基本類別的環(huán)境使用微控制器：電池或線電壓操作，帶或不帶顯示器。 MCU確定照明情況和適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。 LED和其他照明的實(shí)際PWM驅(qū)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)器IC（如Infineon Technologies ILD4120驅(qū)動(dòng)器）處理。英飛凌驅(qū)動(dòng)器是專為L(zhǎng)ED應(yīng)用而優(yōu)化的降壓轉(zhuǎn)換器，如圖3所示。

圖3：英飛凌ILD4120 LED控制器框圖（由英飛凌科技公司提供）。

目標(biāo)照明應(yīng)用的大多數(shù)開發(fā)套件都基于ARM?內(nèi)核。核心通常是CortexTM-M0和Cortex-M3核心;但是，對(duì)于某些先進(jìn)的照片和圖像處理應(yīng)用，可以使用Cortex-M4（包括DSP）?？蓮?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/digi-key/" target="_blank">Digi-Key的恩智浦半導(dǎo)體公司獲得的Cortex-M處理器可作為單獨(dú)組件，在應(yīng)用板上或作為整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)的一部分提供。這些部件設(shè)計(jì)有許多占位面積和功率因數(shù)。恩智浦微控制器可帶或不帶顯示驅(qū)動(dòng)器，范圍從大型Cortex-M4設(shè)計(jì)（LPC4300）到最小的Cortex-M0（帶有16位指令的32位數(shù)據(jù)）。恩智浦的LPC1200還具有5 mm2的小尺寸和簡(jiǎn)化的易編程指令集（見圖4）。

圖4：Cortex-M0與Cortex-M3指令集的比較（由NXP Semiconductors提供）。

由于某些照明控制模塊是改裝項(xiàng)目，因此通常必須使用電池供電的系統(tǒng)運(yùn)行。這些部件需要不同類型的微控制器 - 一個(gè)針對(duì)功率而非速度進(jìn)行了優(yōu)化。大多數(shù)照明控制功能發(fā)生在2到4秒的范圍內(nèi)，需要在不到500毫秒的時(shí)間內(nèi)獲取要處理的數(shù)據(jù)。在這些時(shí)間范圍內(nèi)，可以使用基于ARM的超低功耗微控制器，例如Energy Micro的Gecko系列。這些微控制器具有能量管理系統(tǒng)，低功耗定時(shí)器和超低功耗有源模式，所有這些都可以大大延長(zhǎng)電池壽命。圖5顯示了微控制器模塊的架構(gòu)。這些低功耗特性可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間或相同的狀態(tài)活動(dòng)，并且切換和計(jì)算時(shí)間最短。照明應(yīng)用通常進(jìn)行有效狀態(tài)確定并按2％的占空比順序切換;剩下的時(shí)間用于觀察照明環(huán)境的變化。

圖5：Gecko EFM32低功耗微控制器模塊（由Energy Micro提供）。

微控制器本身可以放置在幾個(gè)不同的位置。大多數(shù)情況下，它們集成在照明燈具本身中，而照明燈具本身可以是獨(dú)立的，也可以通過(guò)電線或RF鏈接連接到其他照明模塊。

這些微控制器的設(shè)計(jì)有幾個(gè)關(guān)鍵，是商業(yè)照明領(lǐng)域獨(dú)有的。一個(gè)是照明狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)可編程性。由于商業(yè)空間在照明解決方案的使用壽命期間通常會(huì)有幾個(gè)不同的租戶，因此將照明更新到新租戶的能力是必不可少的。根據(jù)新乘客的偏好，典型的變化包括辦公室空間照明從暖色調(diào)（偏紅色調(diào)）轉(zhuǎn)變?yōu)槔渖{(diào)（藍(lán)色色調(diào)）。更重要的是，房間中的家具的位置及其顏色/材料影響了呈現(xiàn)給房間的光的反射和吸收，因此必須更新照明圖案和強(qiáng)度。此外，傳感器輸入也會(huì)不同。一些租戶可能想要使用運(yùn)動(dòng)傳感器來(lái)確定是否正在使用房間，而其他人可能想要進(jìn)行多狀態(tài)主動(dòng)控制（基于在空間中完成的任務(wù)而不是僅僅占用空間來(lái)實(shí)現(xiàn)明亮或暗淡）。這些更改會(huì)影響控制電子設(shè)備的I/O，GUI控制和狀態(tài)機(jī)負(fù)載。

對(duì)于某些系統(tǒng)，PWM流量確定最好在微控制器而不是光驅(qū)動(dòng)器中完成。對(duì)于低壓應(yīng)用，變壓器耦合設(shè)計(jì)以及高效率和多串照明，定時(shí)和混色的復(fù)雜性最好由微控制器直接處理。大多數(shù)微控制器都具有數(shù)字和模擬I/O，并且能夠直接控制將運(yùn)行燈的照明驅(qū)動(dòng)器電路。直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)在于增強(qiáng)的靈活性可以通過(guò)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)選項(xiàng)和微控制器中的更大存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，而不是驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備中常見的存儲(chǔ)器。兩種或多種顏色混合的復(fù)雜性和來(lái)自多個(gè)傳感器的輸入（溫度，運(yùn)動(dòng)，亮度，活動(dòng)，環(huán)境光等）都是異步的中斷式傳感器，沒有設(shè)置狀態(tài)變化的時(shí)間表?；贏RM的微控制器可以支持異步和同步中斷以及端口數(shù)據(jù)。

為了幫助開發(fā)和設(shè)計(jì)這些設(shè)計(jì)原型，最好構(gòu)建一個(gè)功能和形狀因子適用的原型。有許多開發(fā)系統(tǒng)可供選擇，包括參考和接口板，軟件，宏，IP和電纜。這些主板大多數(shù)來(lái)自第三方ARM Cortex芯片供應(yīng)商。典型套件包括Atmel的AT91SAM評(píng)估套件和德州儀器的LM3S2965評(píng)估套件。這些是完整的開發(fā)工具包，支持代碼的所有選項(xiàng)，并包含靈活的編程環(huán)境。還有其他小型開發(fā)系統(tǒng)可以構(gòu)建到正確的外形和電源窗口中進(jìn)行測(cè)試。

FPGA庫(kù)中的這些微控制器內(nèi)核的可用性使得能夠快速開發(fā)復(fù)雜的工業(yè)和商業(yè)照明系統(tǒng)，添加多串驅(qū)動(dòng)器和先進(jìn)的顏色混合/傳感器方案作為控制功能的一部分。