徐亞磊，戚克軍，熊曉東

(1.長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.武漢阿拉丁科技有限公司，湖北 武漢 430200)

LED發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的語音同步驅(qū)動(dòng)方法與實(shí)現(xiàn)

徐亞磊1，戚克軍2，熊曉東1

(1.長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.武漢阿拉丁科技有限公司，湖北 武漢 430200)

提出了一種提取聲音幅度或節(jié)拍間隔信號(hào)用來實(shí)時(shí)控制發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和方法，通過語音拾取、檢波、低通濾波器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)由多段RGB LED發(fā)光體構(gòu)成的發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的有效自動(dòng)控制，達(dá)到聲光同步互動(dòng)的效果，為園林亮化建設(shè)、智慧家居和舞臺(tái)燈光增添了新的元素。

LED驅(qū)動(dòng)；發(fā)光環(huán)；聲光同步；轉(zhuǎn)速控制

引言

LED因發(fā)光有效性高、色彩豐富、節(jié)能環(huán)保、長壽命、響應(yīng)速度快、易控制和長期穩(wěn)定性等特點(diǎn)[1]以及封裝工藝的不斷改進(jìn)和完善，正在取代傳統(tǒng)的照明方式，且在舞臺(tái)燈光、照明和亮化工程等方面都得到了廣泛應(yīng)用。以LED為基礎(chǔ)的各種驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)也得到了較大發(fā)展，目前已有追逐光、漸變光、閃爍光和旋轉(zhuǎn)光等驅(qū)動(dòng)技術(shù)[2-3], 目前聲色互動(dòng)在RGB LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域非?；钴S，雖然2014世界CES大會(huì)首次出現(xiàn)了聲控亮度變化的燈具，但沒有人系統(tǒng)性提出如何利用聲波信號(hào)的哪一種特征去驅(qū)動(dòng)LED光色如何變化，針對(duì)目前的技術(shù)現(xiàn)狀，在追逐光和旋轉(zhuǎn)光驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合音頻信號(hào)檢測技術(shù)，一種更為智能化和應(yīng)用前景更廣泛的RGB LED驅(qū)動(dòng)方案在這里被提了出來，該方案的主要思想是通過提取音頻信號(hào)的兩個(gè)重要特征——包絡(luò)幅值和節(jié)拍間隔長短，作為信號(hào)線性地驅(qū)動(dòng)發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)光的旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到聲色結(jié)合、人與光的互動(dòng)、美化環(huán)境、美化生活和場景氛圍烘托的目的。

1 實(shí)現(xiàn)光環(huán)轉(zhuǎn)速控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)發(fā)光環(huán)轉(zhuǎn)速聲音幅度控制或節(jié)拍控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有聲波拾取、包絡(luò)檢波、低通濾波、微處理器、邏輯開關(guān)網(wǎng)絡(luò)及驅(qū)動(dòng)、8段RGB LED發(fā)光環(huán)和紅外遙控等部分組成，其中紅外遙控用來設(shè)置系統(tǒng)的工作模式和完成手動(dòng)操作命令，微處理器用于整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理，包括遙控命令數(shù)據(jù)的處理；語音信號(hào)實(shí)時(shí)控制發(fā)光環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度到底是語音包絡(luò)幅度還是節(jié)拍間隔有效，由遙控設(shè)置的工作模式參數(shù)決定。語音信號(hào)自動(dòng)控制發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，拾音電路拾取語音信號(hào)、經(jīng)包絡(luò)檢波后、得到一個(gè)變化緩慢的單極性語音信號(hào)的包絡(luò)、該信號(hào)可以很真實(shí)地反應(yīng)出語音信號(hào)的幅度和節(jié)拍變化，再經(jīng)低通濾波濾除語音信號(hào)包絡(luò)的高頻分量得到一個(gè)比較純凈的低頻信號(hào)；對(duì)這個(gè)低頻信號(hào)采樣，送微處理器計(jì)算處理后，即可得到語音信號(hào)的峰值及其間隔，然后再轉(zhuǎn)換為24路選3邏輯開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的通斷時(shí)間常數(shù)就實(shí)現(xiàn)了3路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)在8段RGB LED 發(fā)光環(huán)上所產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)效應(yīng)轉(zhuǎn)速控制。

圖1 發(fā)光環(huán)旋轉(zhuǎn)速度語音自動(dòng)控制方案Fig.1 Synchronous Solution for Sound Driving LED Light Rotation

2 信號(hào)提取及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的基本算法

圖2(a)描述了從一個(gè)單極性語音信號(hào)到包絡(luò)檢波、濾波后得到一個(gè)比較純凈的低頻包絡(luò)信號(hào)，再到抽樣量得到包絡(luò)信號(hào)幅值的過程，其中t代表時(shí)間、XPi和TPi分別代表第i個(gè)語音峰值和第i個(gè)到第i+1個(gè)峰值間的時(shí)間間隔。若令v代表發(fā)光環(huán)的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/秒)、TPmax、XPmax、vmax和TPmin、XPmin、vmin分別為最大峰值間隔、最大峰值、最大轉(zhuǎn)速設(shè)定值和最小峰值間隔、最小峰值、最小轉(zhuǎn)速設(shè)定值，則峰值XP和峰值時(shí)間間隔TP和發(fā)光環(huán)轉(zhuǎn)速v的關(guān)系如圖2(b)所示，并滿足設(shè)如下算法：

當(dāng)XP>XPmax或TPTPmax時(shí),v=vmin(如0.5轉(zhuǎn)/秒)。

當(dāng)XPmin

(1)

(2)

圖2 信號(hào)變換和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換Fig.2 Signal extracting & signal to rotation speed

以上算法中很重要一點(diǎn)是檢測語音信號(hào)峰值XP和節(jié)拍間隔TP。得到XP和TP后，根據(jù)系統(tǒng)的工作模式狀態(tài)分別將XP或TP轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的發(fā)光環(huán)每段LED或RGB LED 的開關(guān)時(shí)間常數(shù)，就形成了聲光同步旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。

3 轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 語音拾取電路

語音拾取電路如圖3所示，其中話筒是一個(gè)隨聲壓變化的應(yīng)變膜電阻，將語音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在運(yùn)放LM324的正端提供了一個(gè)+2.5V偏置電壓使輸出信號(hào)變成了一個(gè)完整的單極性信號(hào)，后接隔直電容后可得到交流語音信號(hào)X。

圖3 語音拾取電路Fig.3 voice picking-up circuits

3.2 檢波與濾波

在圖4所示電路[4]中，通過選取R1和C1使放電時(shí)間常數(shù)保證電容C1兩端電壓變化速率遠(yuǎn)大于信號(hào)X包絡(luò)變化速率得到無惰性失真[5]的包絡(luò)信號(hào)X1，圖5是傳遞函數(shù)為公式(3)、截止頻率為10Hz的六階巴特沃斯低通濾波器[6]通過它濾掉X1中豐富的高頻分量后，再通過調(diào)理電路將幅度調(diào)節(jié)到本微處理器STC12C5410AD 0～5V 的 A/D量化范圍[7]。

圖4 包絡(luò)檢波電路Fig.4 envelop detection

(3)

不難從圖6中看出，包絡(luò)信號(hào)X1經(jīng)過該濾波器后，信號(hào)質(zhì)量得到了明顯的改善，其中黃色波形是聲音信號(hào)原始信號(hào)，藍(lán)色波形是包絡(luò)檢波的信號(hào)。

圖5 增益為8截止頻率為10Hz的巴特沃斯低通濾波Fig.5 Butterworth low pass filter with Gain of 8 & 10Hz break frequency

圖6 語音信號(hào)處理前后波形Fig.6 Voice waveforms before & after filtered

3.3 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)及驅(qū)動(dòng)電路

通過以上電路和亮化處理后，得到XP和TP， 圖7是所示驅(qū)動(dòng)和控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將微處理器輸出的3路PWM驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)分別控制紅色、綠色和藍(lán)色場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器，并經(jīng)3N選3開關(guān)網(wǎng)絡(luò)接到構(gòu)成發(fā)光環(huán)的RGB LED模塊的R、G、B接線端，從而驅(qū)動(dòng) LED 可發(fā)任意光色，每一模塊的光色是由3路PWM信號(hào)的占空比組合所決定的，其通斷時(shí)間是由微處理器檢測到的語音包絡(luò)幅值或節(jié)拍間隔長短所決定的，并通過控制線來控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)作， 從而達(dá)到了語音包絡(luò)幅值或節(jié)拍間隔長短自動(dòng)控制光環(huán)轉(zhuǎn)速的目的。

圖7 發(fā)光環(huán)的驅(qū)動(dòng)和開關(guān)控制網(wǎng)路Fig.7 Driving and stitch network

圖8 發(fā)光環(huán)語音驅(qū)動(dòng)靜態(tài)效果Fig.8 Luminous ring driven by voice

4 結(jié)論

圖8是RGB LED模塊數(shù)N為8，聲音強(qiáng)度約為80dB獲得的單色光環(huán)轉(zhuǎn)速約23rps 高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的靜態(tài)照片，更高速度的旋轉(zhuǎn)在視覺上已無法區(qū)分，但有亮度上的微小變化。

事實(shí)上，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)25 dB～85 dB聲音強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)任意色彩光環(huán)以0.02 rps～25 rps的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，融合了WiFi與藍(lán)牙技術(shù)，使產(chǎn)品更加智能化；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了音量到色彩空間的影射，并且兼顧照明。因此本系統(tǒng)可變成具有很強(qiáng)適應(yīng)市場能力的實(shí)用產(chǎn)品化技術(shù)，并可應(yīng)用于娛樂、智慧家居、園林亮化、情緒釋放、聲光互動(dòng)等多種場合。

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A Synchronous Solution for Sound Driving LED Light Rotation

XU Yalei1， QI Kejun2， XIONG Xiaodong1

(1.Yangtze University Electronic Information Institute，Jingzhou 434023, China；2.WuhanAladinTech.Co.Ltd，Wuhan430200,China)

A synchronous solution, for sound driving LED light spinning, is proposed by extracting either sound signal amplitude or beat interval，which can control the rotation speed of a illuminating RGB LED ring in real-time. Based on the solution, a system is developed, which includes several sections such as voice pickup, envelope detection, low pass filter and a switching network. Experiments indicate that rotation speed of a luminous RGB LED ring, composed of multiple segments, changes linearly and automatically with signal amplitude or interval length. The system is possibly, as a new element, applied to performance stage, smart home and landscape flooding.

LED driving; luminous ring; sound-light synchronized; rotation control

TN203

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.019