蔡建軍

摘 要： 由于動態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED驅(qū)動電源設(shè)計不完善，使動態(tài)光對LED的調(diào)節(jié)無法達(dá)到預(yù)期效果，而嵌入式系統(tǒng)則可有效提升LED驅(qū)動電源各項性能。為此，設(shè)計基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源。其中的A/D采集模塊對動態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED數(shù)據(jù)進行采集、整流、濾波和A/D轉(zhuǎn)換，得到A/D采樣數(shù)據(jù)并傳輸?shù)津?qū)動電路。驅(qū)動電路采用嵌入式設(shè)計對A/D采樣數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)對LED發(fā)光的合理控制和動態(tài)光對數(shù)字式LED的有效調(diào)節(jié)。C8051F021芯片是基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的“管理者”，其管理流程圖于軟件中給出。軟件還對A/D采集模塊的數(shù)據(jù)采集語言進行了設(shè)計。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的數(shù)字式LED驅(qū)動電源驅(qū)動性能強、電源轉(zhuǎn)換效率高。

關(guān)鍵詞： 動態(tài)光調(diào)節(jié)； 數(shù)字式LED驅(qū)動電源； 嵌入式設(shè)計； C8051F021

中圖分類號： TN86?34； TP303.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0103?04

Abstract： The adjustment of LED controlled by dynamic light can′t achieve the expected effect due to the imperfect design of digital LED driving power supply adjusted by dynamic light， but the embedded system can improve the performances of LED driving power supply effectively. An embedded system based digital LED driving power supply controlled by dynamic light was designed. The A/D acquisition module performs the acquisition， rectification， filtering and A/D conversion of data of digital LED adjusted by dynamic light to get the A/D sampling data， and transfer it to the driving circuit. The embedded design is adopted in the driving circuit to optimize the A/D sampling data， so as to control the LED lighting reasonably and regulate the digital LED with dynamic light effectively. The C8051F021 chip is the "manager" of the embedded system based digital LED driving power supply under dynamic light control. Its management flow chart is given in the third part of this paper. The data acquisition language of A/D acquisition module was design also in the third part. The experimental results show that the designed digital LED driving power supply has strong driving performance and high power conversion efficiency.

Keywords： dynamic light control； digital LED driving power supply； embedded design； C8051F021

0 引 言

現(xiàn)如今，數(shù)字式LED以其低耗、顯示清晰、壽命長等優(yōu)點，在家用電器的顯示配件方面占據(jù)了主導(dǎo)地位。動態(tài)光調(diào)節(jié)是一種能夠有效縮減數(shù)字式LED顯示屏漏光現(xiàn)象、增強顯示效果的方法，但由于動態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED驅(qū)動電源的設(shè)計不完善，使動態(tài)光對LED的調(diào)節(jié)無法達(dá)到預(yù)期效果，這已成為科研組織的研究難題[1?4]。嵌入式是一種以應(yīng)用為核心、以電子信息技術(shù)為根基的計算機系統(tǒng)，其能夠調(diào)控軟硬件的靈活性，進而提升LED驅(qū)動電源的各項性能[5?6]。為此，利用嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計動態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED驅(qū)動電源，增強數(shù)字式LED驅(qū)動電源的驅(qū)動性能和轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)動態(tài)光對數(shù)字式LED的調(diào)節(jié)效果。

科研組織對動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的設(shè)計成果均存在一些不足之處。如文獻(xiàn)[7]提出的能耗密度分配模型方法。這種方法能夠?qū)討B(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的多余能耗合理分配出去，達(dá)到增強電源轉(zhuǎn)換效率的目的；但這種方法過于受限于電源傳送功率配對，故其驅(qū)動性能較低。文獻(xiàn)[8]提出基于阻抗模型構(gòu)建動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的方法，阻抗模型能夠較為合理實現(xiàn)電源驅(qū)動的高性能；但這種方法的耗能較大，電源轉(zhuǎn)換效率不高。

從以上動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的設(shè)計成果中可看出，我國科研組織對基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的設(shè)計迫在眉睫。

1 數(shù)字式LED驅(qū)動電源嵌入式設(shè)計

1.1 LED驅(qū)動電源整體設(shè)計

基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的工作原理如圖1所示。

由圖1可知，在基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的設(shè)計中，A/D采集模塊對數(shù)字式LED數(shù)據(jù)進行整流、濾波、A/D采樣，其對數(shù)字式LED驅(qū)動電源有著過渡作用，是數(shù)字式LED驅(qū)動電源的基礎(chǔ)組成部分。驅(qū)動電路是實現(xiàn)數(shù)字式LED驅(qū)動電源對動態(tài)光調(diào)節(jié)控制的基礎(chǔ)，高性能的驅(qū)動電路能夠給予數(shù)字式LED驅(qū)動電源較高的驅(qū)動性能。控制芯片是數(shù)字式LED驅(qū)動電源的控制核心，其管理著整個數(shù)字式LED驅(qū)動電源的工作流程。

1.2 A/D采集模塊設(shè)計

在A/D采集模塊中，整流是將采集到的動態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED的交流電近似轉(zhuǎn)化為直流電的過程；濾波是將近似直流電中的交流波形去除，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電的過程。圖2是濾波器電路圖。

濾波是排除電力干擾的一項重要手段，其能夠避免電源損傷、使電路元件維持在正常狀態(tài)下工作。由圖2可知，A/D采集模塊選用低通濾波器為動態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED進行濾波，其能夠進行50 Hz電力信號的濾波，對高頻干擾的衰減效果較強。所設(shè)計的低通濾波器擁有2個輸入、輸出端口，并配備1個電源接地端。C，C1代表差模濾波電容，C2，C3代表共模濾波電容，L1，L2代表電感，T代表共模電感。如果出現(xiàn)干擾信號，電感則會高速增長，阻止干擾信號通過，進而實現(xiàn)對動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED的濾波。整流濾波之后，A/D采集模塊將對其獲取到的數(shù)據(jù)進行A/D采樣，圖3是A/D采樣電路圖。

由圖3可知，A/D采集模塊主要由對比器、寄存器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其最重要的組成元件是A/D轉(zhuǎn)換器。A/D采集模塊將其最初采集到的動態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED數(shù)據(jù)，利用對比器提高數(shù)據(jù)分辨率，并暫存在寄存器中。用戶可對寄存器處理流程進行編程，A/D轉(zhuǎn)換器會對寄存器中的數(shù)據(jù)進行依次調(diào)用，進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方式采用高速形式，以增強基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的驅(qū)動性能和電源轉(zhuǎn)換效率。A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果會經(jīng)由對比器與最初采集數(shù)據(jù)進行比較，如果對比器的對比結(jié)果是負(fù)數(shù)，A/D采集模塊將把寄存器狀態(tài)調(diào)至高效位；反之，則調(diào)至低效位。

寄存器的效位狀態(tài)會對A/D采集模塊的效率產(chǎn)生影響，通過不斷調(diào)整寄存器效位狀態(tài)，能夠提高數(shù)字式LED驅(qū)動電源的工作效率。最后，A/D采集模塊利用控制與定時邏輯原理，將其獲取到的A/D采樣數(shù)據(jù)輸出到驅(qū)動電路。

1.3 驅(qū)動電路嵌入式設(shè)計

受限于我國的科技能力，數(shù)字式LED的單顆發(fā)光物質(zhì)功率過低，在實際應(yīng)用中，只有將多顆發(fā)光物質(zhì)連接起來使用才能夠?qū)崿F(xiàn)LED的肉眼可視發(fā)光，連接方式主要采用串聯(lián)和并聯(lián)的混合連接。為此，必須通過特定的驅(qū)動電路才能夠令動態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED完成正常顯示功能，所設(shè)計驅(qū)動電路采用嵌入式。

反激式轉(zhuǎn)換器是一種擁有簡單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源開關(guān)，其能夠為驅(qū)動電路提供較高水平的電壓升降和多路輸出。為此，基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的設(shè)計中，將反激式轉(zhuǎn)換器納入到驅(qū)動電路，并利用隔離式轉(zhuǎn)換器維持?jǐn)?shù)字式LED的正常發(fā)光。圖4為驅(qū)動電路電路圖。

由圖4可知，所設(shè)計的驅(qū)動電路有著成本低、效率高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對LED發(fā)光的合理控制。驅(qū)動電路能夠容納的輸入電壓范圍是[170 V，280 V]，LED發(fā)光物質(zhì)的連接方式是15顆串聯(lián)、5顆并聯(lián)，電流、電壓和功率的極大輸出值分別為350 mA，DC 60 V和20 W。A/D采集模塊會將其獲取到A/D采樣數(shù)據(jù)輸入到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的輸出接收元件是單片機。基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源為驅(qū)動電路的連接設(shè)計成嵌入式連接，驅(qū)動電路對數(shù)字式LED發(fā)光的控制并非只有簡單的開啟和關(guān)閉，而是能夠合理調(diào)節(jié)數(shù)字式LED的發(fā)光亮度，以提高其使用壽命、增強動態(tài)光對數(shù)字化LED的調(diào)節(jié)效果。

1.4 控制芯片設(shè)計

控制芯片是基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的“管理者”，故在控制芯片的選擇上應(yīng)絕對符合數(shù)字式LED驅(qū)動電源的設(shè)計初衷，這就要求所選擇的控制芯片應(yīng)具有高集成度和處理效率。因此，選擇某公司出產(chǎn)的C8051F021芯片作為數(shù)字式LED驅(qū)動電源的控制芯片，此芯片的性能較高且能夠獨立進行高效的控制工作。

C8051F021芯片是一種擁有CIP?51 內(nèi)核的芯片，是對8051系列芯片的優(yōu)化成果。CIP?51 內(nèi)核擁有高兼容性和流水線結(jié)構(gòu)，能夠通過803x/805x編碼器對其進行開發(fā)。CIP?51 內(nèi)核配備了5個16位定時器、2個通用異步收發(fā)傳輸器、1個256 B隨機存取存儲器以及1個特殊功能的寄存器，可實現(xiàn)對控制指令的完美操作。

C8051F021芯片的內(nèi)部組成并不簡單，這為其自身功能的完善提供了較為有利的元件支持。C8051F021芯片內(nèi)置看門狗計時器、電源監(jiān)聽監(jiān)控設(shè)備、視頻存儲設(shè)備以及時鐘振蕩器，其中的視頻存儲設(shè)備可對基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源進行再編碼和更新。但由于經(jīng)再編碼后的數(shù)據(jù)容易丟失，故在使用此功能前必須對數(shù)字式LED驅(qū)動電源的數(shù)據(jù)類型進行檢測。

2 數(shù)字式LED驅(qū)動電源嵌入式軟件設(shè)計

2.1 C8051F021芯片管理流程設(shè)計

基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的軟件部分為C8051F021芯片的管理流程進行了設(shè)計，如圖5所示。

圖5中，C8051F021芯片所需進行的初始化包括看門狗計時器參數(shù)重置、接口輸出配置以及編程單元參數(shù)設(shè)定，軟件也會同時對A/D轉(zhuǎn)換器進行初始化。如果控制信號不存在，用戶則可手動切換控制模式，否則將默認(rèn)為自動調(diào)光模式；如果控制信號存在，初始化后的C8051F021芯片將會自動接收控制信號，并進行LED發(fā)光控制模式的設(shè)定。在C8051F021芯片進行管理工作的過程中，用戶如果需要切換控制模式，應(yīng)在設(shè)定控制模式后選擇切換模式，否則只能選擇在基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下和數(shù)字式LED驅(qū)動電源未工作的情況下進行切換。這樣設(shè)計有助于維持?jǐn)?shù)字式LED驅(qū)動電源的工作連貫性，提高驅(qū)動性能。

2.2 數(shù)據(jù)采集語言設(shè)計

3 實驗驗證

3.1 驅(qū)動性能驗證

對本文設(shè)計的基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的驅(qū)動性能的驗證，可通過驗證其驅(qū)動效率和數(shù)字式LED輸出特性實現(xiàn)。驅(qū)動效率是影響數(shù)字式LED光效的最主要原因，通過數(shù)字式LED輸出特性數(shù)據(jù)則能夠看出數(shù)字式LED電源驅(qū)動設(shè)計的成功與否。

實驗對6種不同規(guī)格的數(shù)字式LED進行驅(qū)動，先利用萬用表對本文數(shù)字式LED驅(qū)動電源驅(qū)動中整流濾波后的電壓進行了測量，隨后將C8051F021芯片的輸出信號頻率調(diào)至30 kHz，并利用特定電源為C8051F021芯片供電。實驗室的溫度恒定在20 ℃，濕度控制較為嚴(yán)格，此時的驅(qū)動效率曲線如圖6所示，數(shù)字式LED輸出特性如表1所示。

由圖6、表1可知，本文所設(shè)計的數(shù)字式LED驅(qū)動電源的驅(qū)動效率維持在89%左右，而市面上的數(shù)字式LED驅(qū)動電源的驅(qū)動效率一般為80%；在數(shù)字式LED輸出特性統(tǒng)計表中，實際輸出的電流和電壓均在正常范圍內(nèi)波動，且電流變化對電壓輸出的影響不大。當(dāng)電流小于300 mA時，數(shù)字式LED驅(qū)動電源會停止對數(shù)字式LED進行驅(qū)動。以上結(jié)果能夠證明，基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的驅(qū)動性能較強。

3.2 電源轉(zhuǎn)換效率驗證

對本文設(shè)計的基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的電源轉(zhuǎn)換效率進行驗證，其結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，本文所設(shè)計的數(shù)字式LED驅(qū)動電源的電源轉(zhuǎn)換效率范圍在[80%，88%]之間，且波動較為穩(wěn)定，未產(chǎn)生尖峰脈沖現(xiàn)象，可見其對數(shù)字式LED功率的矯正水平較高，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)光對數(shù)字式LED的有效調(diào)節(jié)，驗證了基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的電源轉(zhuǎn)換效率較高。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源。其中的A/D采集模塊對動態(tài)光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED數(shù)據(jù)進行采集、整流、濾波和A/D轉(zhuǎn)換，得到A/D采樣數(shù)據(jù)并傳輸?shù)津?qū)動電路。驅(qū)動電路采用嵌入式設(shè)計對A/D采樣數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)對LED發(fā)光的合理控制和動態(tài)光對數(shù)字式LED的有效調(diào)節(jié)。C8051F021芯片是基于嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)光調(diào)節(jié)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源的“管理者”，其管理流程圖于軟件中給出。軟件還對A/D采集模塊的數(shù)據(jù)采集語言進行了設(shè)計。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的數(shù)字式LED驅(qū)動電源驅(qū)動性能強、電源轉(zhuǎn)換效率高。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳德雙，陳增祿.一種單相PFC實用電路的設(shè)計[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2012，26（2）：200?204.

[2] 儲萍，李偉，田相鵬.LED驅(qū)動電源磁性元件電參數(shù)測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2015，28（10）：125?126.

[3] 馬昌松，吳朝暉.基于電流型并聯(lián)諧振多通道LED驅(qū)動電源設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2015，49（5）：52?55.

[4] 汪飛，鐘元旭，阮毅.AC?DC LED驅(qū)動電源消除電解電容技術(shù)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（8）：176?185.

[5] 馬喜強，劉維亞，鄭喜鳳，等.非平穩(wěn)多任務(wù)下的動態(tài)功耗管理隨機策略[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2014，44（3）：776?781.

[6] 徐超，張淼.基于LLC諧振的大功率LED驅(qū)動電源的研究[J].電力電子技術(shù)，2014，48（5）：42?44.

[7] 盧惠輝，蘇成悅，謝仕勇.LED驅(qū)動電源諧波生成與檢測分析[J].照明工程學(xué)報，2014，25（6）：117?121.

[8] 高旭，許建平，閻鐵生.高精度高功率因數(shù)原邊控制CRM反激LED驅(qū)動電源[J].電工電能新技術(shù)，2015，34（11）：69?74.