李志陽(yáng)，盧光義，陳育智，連光濤

（1.廈門華廈學(xué)院，福建廈門，361024；2.廈門奇力微電子有限公司，福建廈門，361000）

0 引言

LED 照明已經(jīng)日益成熟，其體積小、耗能小、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得它在室內(nèi)家居照明的優(yōu)勢(shì)日益突出。其中，LED 可控性強(qiáng)的特點(diǎn)受到了業(yè)界廣泛的關(guān)注，其不僅可以有效控制亮度，亦可以控制其色溫，更可以營(yíng)造不同的燈光場(chǎng)景以滿足我們更高品質(zhì)生活的追求。特別是光健康方面的研究，也越來(lái)越受到室內(nèi)照明工程設(shè)計(jì)的重視，這也正好需要LED 光源的可控性特點(diǎn)。

LED 光源的可控性需要具有與LED 驅(qū)動(dòng)電源相結(jié)合的可控制電路。近年來(lái)，常見有基于單片機(jī)等技術(shù)的LED 控制電路研究，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了LED 的調(diào)光、調(diào)色等控制。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種短距離通信技術(shù)的優(yōu)化，越來(lái)越多的學(xué)者開始致力于實(shí)現(xiàn)LED 控制電路的無(wú)線化、智能化。本設(shè)計(jì)以研究成員所在公司研發(fā)的LED 驅(qū)動(dòng)電源VAS 系列芯片為基礎(chǔ)，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)和WiFi 技術(shù)，設(shè)計(jì)一款LED 無(wú)線控制照明系統(tǒng)，并分析總電路的調(diào)光和頻閃消除效果。

1 照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)組成

LED 智能無(wú)線照明系統(tǒng)主要由三部分組成（見圖1 照明系統(tǒng)架構(gòu)示意圖）：

圖1 照明系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

第一部分是LED 驅(qū)動(dòng)部分，由VAS1105 做LED 驅(qū)動(dòng)芯片；

第二部分是供電系統(tǒng)，由VAS1156 提供；

第三部分是無(wú)線控制模塊，本設(shè)計(jì)擬采用EВ10X 藍(lán)牙模塊。

VAS1156 是一顆高壓線性 LDO，輸入電壓范圍為 AC 85～265V，輸出 3.3V，持續(xù)帶載能力可達(dá) 30mA，外圍應(yīng)用簡(jiǎn)單?？捎米髦悄芗揖?、智能照明系統(tǒng)的 Zigbee、藍(lán)牙、紅外以及 MCU 等模塊的供電。

無(wú)線控制模塊部分由無(wú)線藍(lán)牙/WiFi 模塊組成，結(jié)合手機(jī)APP，可遠(yuǎn)距離控制燈具的開關(guān)和顏色切換。

■1.2 基本控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心控制，外圍器件簡(jiǎn)潔，可去電源化生產(chǎn)，驅(qū)動(dòng)部分和單片機(jī)供電以及智能調(diào)光模塊控制，都是可全貼片生產(chǎn)，其整體應(yīng)用電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 整體應(yīng)用電路圖

1.2.1 電源設(shè)計(jì)

VAS1156 是一顆高壓低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，輸入電壓范圍為AC 85～265V，輸出3.3V，持續(xù)帶載能力可達(dá)30mA，外圍應(yīng)用如圖2 所示。其不僅可以應(yīng)用于單片機(jī)MCU 的供電，還可用作智能家居、智能照明系統(tǒng)的Zigbee、藍(lán)牙、紅外以及MCU 等模塊的供電。

1.2.2 LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

VAS1105 是市電線性恒流芯片，可設(shè)計(jì)在120V 的電路系統(tǒng)和220V 的電路系統(tǒng)，典型應(yīng)用如圖3 所示。

圖3 VAS1105 應(yīng)用圖例

VAS1105 驅(qū)動(dòng)電路具有如下功能：

（1）設(shè)置LED 電流，VAS1105 通過(guò)電阻RSET1可設(shè)置LED 電流，計(jì)算公式如下：

（2）過(guò)溫保護(hù)，當(dāng)輸入電壓上升時(shí)，LED 陰極電壓也會(huì)上升，可能會(huì)造成芯片過(guò)熱，VAS1105 解決方法如下：

①當(dāng) VAS1105 的內(nèi)部溫度上升到140°C，VAS1105 進(jìn)入過(guò)溫補(bǔ)償模式，LED 電流開始隨著溫度的升高而減小。

②當(dāng)內(nèi)部溫度繼續(xù)上升達(dá)到160°C 時(shí)，VAS1105 進(jìn)入過(guò)溫關(guān)斷模式，LED 電流為0，當(dāng)內(nèi)部溫度降到130°C 時(shí)，芯片重新正常工作。

（3）調(diào)光應(yīng)用，VAS1105 支持模擬調(diào)光、PWM 數(shù)字調(diào)光和可控硅調(diào)光。

①當(dāng)ADJ 管腳的模擬電壓為0～1V 時(shí)分別對(duì)應(yīng)LED 電流的0～100%，大于1V 時(shí)輸出電流不再改變。當(dāng)輸入調(diào)光電壓較高時(shí)，可通過(guò)設(shè)置合適的電阻分壓來(lái)調(diào)光。應(yīng)用原理圖如圖4 所示。

圖4 模擬調(diào)光應(yīng)用圖

②當(dāng)使用PWM 調(diào)光時(shí)，可直接將PWM 信號(hào)接到ADJ管腳進(jìn)行調(diào)光，應(yīng)用原理圖如圖5 所示。

圖5 PWM 調(diào)光應(yīng)用圖

（4）無(wú)頻閃應(yīng)用VAS1105 可搭配VAS1101 實(shí)現(xiàn)無(wú)頻閃，并且在模擬調(diào)光、PWM 調(diào)光、可控硅調(diào)光過(guò)程中全程無(wú)頻閃，具體應(yīng)用原理圖如圖6 所示。

圖6 降低頻閃電路設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)調(diào)試分析

■2.1 VASP1105 輸出測(cè)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試顯示，VAS1105 輸出電流為5mA～60mA，可通過(guò)外圍電阻設(shè)置，設(shè)計(jì)LED 負(fù)載所需要的電流。同時(shí)滿足 0～1V 模擬電壓調(diào)光、數(shù)字PWM 調(diào)光、可控硅調(diào)光LED 驅(qū)動(dòng)方案。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字PWM 調(diào)光方式，測(cè)試結(jié)果如圖7 所示，可以發(fā)現(xiàn)其調(diào)光曲線已經(jīng)非常接近線性曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)較為精準(zhǔn)的調(diào)光應(yīng)用。而且使用可控硅調(diào)光時(shí)，VAS1105 內(nèi)置的調(diào)光電路在輸入電壓比較低時(shí)抽取額外的電流以保證調(diào)光效果，在輸入電壓比較高時(shí)不再額外抽取電流以保證高效率，調(diào)光全過(guò)程無(wú)抖動(dòng)，兼容性極佳。

圖7 測(cè)試結(jié)果

■2.2 頻閃消除測(cè)試分析

圖8 波形：CH1：（黃色）去頻閃兩端吸收的電壓紋波，CH3：（紅色）輸出燈珠電壓波形，CH4：（綠色）輸出電流紋波。

圖8 頻閃測(cè)試對(duì)比圖（1）

從輸出的電壓來(lái)看，兩者相差不大。但是從輸出電流來(lái)看，可以明顯發(fā)現(xiàn)增加了消除頻閃的電路后，因?yàn)槲樟穗妷杭y波后，輸出電流變?yōu)闃O其平滑，已經(jīng)非常接近直流輸出。解決了大部分的頻閃問題。為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果，我們又采用高幀相機(jī)進(jìn)行拍攝，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 頻閃測(cè)試對(duì)比圖（2）

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未增加頻閃消除電路時(shí)，如圖9(a)顯示燈亮?xí)r用相機(jī)能夠拍到有明暗相間的條紋，此為頻閃，長(zhǎng)期在此環(huán)境下工作或閱讀，容易讓眼睛疲勞，造成視力損害。而增加頻閃消除電路后，如圖9(b)所示，用高幀相機(jī)拍攝時(shí)，其亮度幾乎不變，可以認(rèn)為幾乎無(wú)頻閃。

3 無(wú)線控制模塊設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種近距離無(wú)線通信方式在各種智能控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，研究較多的方式包括藍(lán)牙技術(shù)、Zigbee 技術(shù)、無(wú)線射頻技術(shù)（RFID、NFC）和WiFi 技術(shù)等。本設(shè)計(jì)采用了藍(lán)牙技術(shù)和WiFi 技術(shù)兩種常用方式進(jìn)行設(shè)計(jì)制作并比較。

■3.1 藍(lán)牙控制模式

基于藍(lán)牙技術(shù)的控制方式，本設(shè)計(jì)直接采用EВ10X 藍(lán)牙模塊，該模塊是南京奧杰科技生產(chǎn)的一款帶有自組網(wǎng)能力且普遍應(yīng)用于燈光照明控制系統(tǒng)的無(wú)線控制模塊。其成本低，自組網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，符合藍(lán)牙規(guī)范，可應(yīng)用于無(wú)線傳感、控制及數(shù)據(jù)采集。特別是，該模塊針對(duì)LED照明應(yīng)用開發(fā)了專用的固件，支持開關(guān)、定時(shí)、分組、情景模式，固件無(wú)線升級(jí)，參數(shù)設(shè)置等功能。且配備手機(jī)APP 客戶端，大大節(jié)省了應(yīng)用的開發(fā)成本。模塊可采集光強(qiáng)度傳感器、動(dòng)作傳感器的信息，可以控制LED 燈、遙控器和觸控開關(guān)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集傳遞和電器件的控制。EВ10X 對(duì)外提供了1 個(gè)UART 串行通訊接口，1 個(gè)I2C 通訊接口，和5 路PWM 輸出，可滿足不同客戶需求。其手機(jī)APP 界面如圖10所示。

圖10 藍(lán)牙控制APP 界面

■3.2 WiFi 控制模式

基于WiFi 技術(shù)的控制方式，本設(shè)計(jì)采用ESP8266-01 無(wú)線 WiFi 模塊。根據(jù)模塊的各管腳的功能，完成了ESP8266-01 模塊的電路結(jié)構(gòu)，其中，4、8 腳分別接3.3 V 的電源和 GND，STM32 串口2 與模塊串行通信腳相連接，ESP8266 模塊1 腳與STM32 的PA3 相連（TXD 連接RXD），ESP8266 模塊第五腳（發(fā)射腳）與STM32 的PA2（接收腳）相連，模塊2 腳與R10 10k 電阻默認(rèn)上拉，而模塊則進(jìn)入 AT命令模式，此時(shí)可以通過(guò)模塊AT指令說(shuō)明書，進(jìn)行查詢或者配置模塊。WiFi 模塊電路原理圖如圖11 所示。

圖11 WiFi模塊電路原理圖

WiFi 模塊ESP8266具有透明傳輸功能。可以先設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以建立連接，然后使用該命令進(jìn)入傳輸模式。在傳輸模式下，主機(jī)通過(guò)UART 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼SP8266，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。接收的數(shù)據(jù)通過(guò) ESP8266 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主機(jī)。其主程序如圖12所示。

圖12 WiFi模式主程序流程圖

首先是程序的開始運(yùn)行，開機(jī)結(jié)束后馬上開始初始化（初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、串口，初始化定時(shí)器、GPIO 端口等等）。等待初始化結(jié)束后進(jìn)行程序循環(huán)，單片機(jī)會(huì)先發(fā)送AT 指令，對(duì)ESP8266模塊進(jìn)行系統(tǒng)性的配置，如果配置成功，標(biāo)記為設(shè)置為1；否則，就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)，直到成功后進(jìn)行下一步。當(dāng)設(shè)置結(jié)束后，LED的燈光開始閃爍。在這個(gè)時(shí)候，這個(gè)模塊會(huì)檢測(cè)到WiFi的連接，如果連接成功，那么就會(huì)開啟通訊。設(shè)定的計(jì)時(shí)器可以將數(shù)據(jù)按時(shí)傳送至手機(jī)，心跳間隔為5S，心跳是為了維持模塊通訊的鏈接，探測(cè)鏈接是否中斷。之后MCU 會(huì)實(shí)時(shí)解析到通過(guò)WiFi 獲取到的信息，并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的指令。WiFi 模塊和MCU 之間的通信流程如圖13 所示。

圖13 WiFi ESP8266通信流程圖

圖14 控制子程序流程圖

ESP8266 模塊既可以當(dāng)客戶端連接其他熱點(diǎn)，可以當(dāng)服務(wù)端，開啟端口讓其他設(shè)備接入，本次設(shè)計(jì)將模塊設(shè)置監(jiān)聽端口（TCP 服務(wù)端模式），并通過(guò)手機(jī)APP 進(jìn)行TCP 連接。通過(guò)接收來(lái)自APP 的數(shù)據(jù)，對(duì)MCU 進(jìn)行無(wú)線控制，其控制子程序如圖14 所示。

其控制主要包括無(wú)線APP 操作打開和關(guān)閉燈具以及定時(shí)關(guān)閉燈具兩種模式。

■3.3 兩種模式調(diào)試對(duì)比

在藍(lán)牙技術(shù)控制模式的調(diào)試中，我們主要做了一對(duì)一的燈具控制模式，優(yōu)勢(shì)在于幾乎沒有時(shí)延，界面操作也比較直觀。但是其一對(duì)多的操作則比較不方便，其形成的微微網(wǎng)并不是真正的MESH網(wǎng)絡(luò)，且在藍(lán)牙配對(duì)上有一定的先后順序。而Wi-Fi 的組網(wǎng)則更為簡(jiǎn)單，且可以與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，形成更遠(yuǎn)距離的控制，其在組網(wǎng)或一對(duì)多控制的情況下有較明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)結(jié)合近距離無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED 驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線控制和可調(diào)光技術(shù)。在驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試方面，測(cè)試結(jié)果表明，電路不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更穩(wěn)定的直流電源，且可以根據(jù)各種LED 照明系統(tǒng)進(jìn)行輸出電路匹配設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較為精準(zhǔn)的可調(diào)光技術(shù)可供照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)光方式的選擇。此外，本次設(shè)計(jì)針對(duì)頻閃對(duì)眼睛的危害問題，設(shè)計(jì)了一款頻閃消除電路，在VAS1105 上搭配VAS1001，測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠滿足無(wú)頻閃要求，無(wú)傳導(dǎo)輻射問題，適合各類調(diào)光應(yīng)用的需求。

在無(wú)線控制上本文比較了藍(lán)牙技術(shù)和Wi-Fi 技術(shù)兩種方式，發(fā)現(xiàn)WiFi 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。