（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga的全彩景观灯控制系统的实现.pdf

煳黜 t h er e a l i z a t i o no ff u l l - - c o l o rl a n d s c a p e dl i g h tc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nf p g a at h e s i ss u bm i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fd e g r e e b y c h e n x i a o g e ( p o w e re l e c t r o n i c sa n d p o w e rd r i v e s ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gd a n j u n e2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 基壬鲤鱼数全显量理红控剑丕统丝塞现= = 。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：7 丝亟毖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密吖( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名；乍艮晚妈导师签名： 日期：沙fj 年7 月争日 中文摘要 摘要 景观照明产业近年来由于第四代光源i e d 光源的加入得到飞速发展，市场 需求不断增长，而国内l e d 景观照明控制系统技术差异大，标准不统一，尚有很 大的研究空间。市场上的l e d 景观灯控制系统多采用单片机或a r m 来实现，单 片机和a r m 的有限的控制速度和硬件接口无法满足大型的景观灯系统全彩、动 态、多变、远程的控制效果。在这样广阔的市场空间和巨大的研究空间的背景下， 针对传统控制方法在技术上的不足和控制效果上的缺陷，本文设计了一套基于 f p g a 的全彩景观灯控制系统的实现方案。 论文首先对l e d 景观灯控制系统的功能特点进行了分析，并结合市场上不同 控制方案与技术的优缺点，确定系统总体设计方案为管理主机、网络节点控制器? 驱动显示单元三层结构网络控制，选择基于d m x 5 1 2 灯光传输协议、n i o s l i 嵌入 式处理器和u c o s i i 操作系统的控制技术来实现网络节点控制器，并从全彩l e d 的发光原理角度出发，选择p w m 技术控制l e d 。 确定了控制方案和开发工具后，论文对网络节点控制器的设计与实现进行了 详细的研究，分别从硬件和软件两个方面详细阐述了节点控制器的实现过程。在 硬件方面设计了d m x 5 1 2 信号i p 核和全彩l e d 控制i p 核，之后完成基于s o p c 技术的硬件设计，构建n i o s l i 系统。在n i o s l i 集成开发环境中设计了基于u c o s i i 操作系统和l w t c p i p 协议的软件应用程序，最后下载调试。针对l e d 的驱动显 示单元，为符合d m x 5 1 2 协议的全彩l e d 灯具设计了信号驱动电路，并用全彩 l e d 点光源构建全彩l e d 灯具，为其设计相应的解码器、驱动电源和控制电路。 针对管理主机用c 撑语言编写了上位机管理软件，实现了友好的人机界面和网络通 信控制功能。 论文最后介绍了系统级调试结果并对整体研究进行了总结和展望。 关键词：全彩l e d 景观灯；d m x s l 2 协议；i p 核；嵌入式操作系统 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h el a n d s c a p el i g h t i n gi n d u s t r yh a v eb e e nb e i n gd e v e l o p e dr a p i d l y d u et ot h ej o i n m e n to ft h ef o u r t hg e n e r a t i o no f l i g h ts o u r c e - l e d ，m a r k e td e m a n dk e e p s g r o w i n g ，w h i l ed o m e s t i cl e dl a n d s c a p el i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mt e c h n o l o g ye x i s t sh u g e d i f f e r e n c e s ，a n ds t a n d a r d sa r en o tu n i f o r m ，m u c hr e s e a r c hs t i l lc a nb ed o n e l e d l a n d s c a p el i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m so nt h em a r k e ta r em o s t l yr e a l i z e dw i t hs i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e ro ra r m ，t h el i m i t e dc o n t r o ls p e e da n dh a r d w a r ei n t e r f a c e so f s i n g l e 。c h i pm i c r o c o m p u t e ra n da r mc a n tm e e tt h ef u l l c o l o r , d y n a m i c ，c h a n g i n g ， r e m o t ec o n t r o le f f e c ti nt h el a r g el a n d s c a p el i g h t i n gs y s t e m u n d e rt h eb a c k g r o u n do f s u c hab r o a dm a r k e ts p a c ea n dh u g er e s e a r c hs p a c e ，i nv i e wo ft h et e c h n i c a ld e f i c i e n c i e s a n de f f e c td e f e c t so ft r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d s ，as e to fi m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei s d e v e l o p e df o rf u l l - c o l o rl a n d s c a p el i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf p g a i nt h ep a p e rt h ef u n c t i o nf e a t u r e so fl e d l a n d s c a p ec o n t r o ls y s t e ma r ea n a n l y z e d f i r s t ，c o m b i n i n gw i t ht h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n a l y s i so fd i f f e r e n tc o n t r o l s c h e m e sa n dt e c h n o l o g i e so nt h em a r k e t ，t h en e t w o r kc o n t r o la n dt h r e el a y e rs t r u c t u r e c o n s i s t e do fm a n a g e m e n th o s t ，n e t w o r kn o d ec o n t r o l l e r , d r i v ea n d d i s p l a yu n i t i s a d o p t e df o ro v e r a l ld e s i g ns c h e m e , t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nd m x 512l i g h t i n g t r a n s p o r tp r o t o c o l ，n i o s l ie m b e d d e dp r o c e s s o ra n du c o s i io p e r a t i n gs y s t e mi sc h o s e n t or e a l i z et h en e t w o r kn o d ec o n t r o l l e r , a n df r o mt h ep o i n to ff u l l c o l o rl e dl i g h t i n g p r i n c i p l e ，p w mt e c h n o l o g yi sc h o s e nt oc o n t r o ll e d a f t e re s t a b l i s h i n gt h ec o n t r o ls c h e m e sa n dd e v e l o p m e n tt o o l s ，t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fn e t w o r kn o d ec o n t r o l l e ri ss t u d i e dd e t a i l e d l y ，b o t hf r o mh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea s p e c t s i nt e r mo fh a r d w a r e , t h ed m x 512s i g n a li pc o r ea n df u l l - c o l o r l e dc o n t r o li pc o r ea r ed e s i g n e d ，a n dt h e nt h eh a r d w a r ed e s i g nb a s e do ns o p c t e c h n o l o g yi sc o m p l e t e dt ob u l i dn i o s l is y s t e m i nn i o s l ii n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tt h es o f t w a r ea p p l l i c a t i o np r o g r a mb a s e do nu c o s i io p e r a t i n gs y s t e ma n d l w i pp r o t o c o li sd e v e l o p e d ，a n df i n a l l yd o w n l o a d i n ga n dd e b u g g i n ga r ef i n i s h e d f o r t h ed r i v ea n dd i s p l a yu n i to fl e d ，t h es i g n a ld r i v i n ge r i c u i tf o rf u l l c o l o rl e d l a m p a c c o r d i n gt od m x 5 12p r o t o c o li sd e v e l o p e d ，a n du s i n gf u l l c o l o rl e dp o n l i g h t st o c o n s t r u c tl e dl a m p ，t h ed e c o d e r , p o w e rd r i v i n ga n dc o n t r o lc i r c u i ta r ed e s i g n e d 英文摘要 a c c o r d i n g l y f o rt h em a n a g e m e n th o s t ，p cm a n a g e m e n ts o f t w a r eu s i n gc 撑l a n g u a g ei s a l s od e v e l o p e di nt h i sp a p e r af r i e n d l yh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dt h ef u n c t i o no f n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc o n t r o la lea c h i e v e d i nt h e c o n c l u s i o n s ，t h es y s t e m - l e v e ld e b u g g i n gr e s u l t s a r ed e s c r i b e d ，a n d s u m m a r i e sa n dp r o s p e c t so ft h eo v e r a l ls t u d ya r ea l s oi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：f u l l - c o l o rl e dl a n d s c a p e ；d m x 5 1 2p r o t o c o l ；i pc o r e ；e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m 目录 目录 第1 章绪论一l 1 1 课题背景及研究意义l 1 1 1l e d 半导体照明1 1 1 2l e d 景观照明的研究意义2 1 2 国内外研究现状3 1 3 课题来源及研究内容4 1 3 1 课题的来源4 1 3 2 课题的研究内容5 第2 章系统概述和总体设计方案分析6 2 1l e d 景观灯控制系统功能特点分析一6 2 2 控制系统总体设计方案6 2 2 1 控制系统架构分析比较6 2 2 2 控制系统架构的确定1 0 2 3 网络节点控制器的软硬件选择1 l 2 3 1 灯光控制协议的选择l l 2 3 2 嵌入式处理器的选择l3 2 3 3 嵌入式操作系统的选择1 5 2 4l e d 灯控制方式的选择一1 7 2 4 1l e d 色彩控制原理1 7 2 4 2l e d 色彩控制技术18 第3 章网络节点控制器的设计与实现2 0 3 1 网络节点控制器设计综述2 0 3 1 1 网络节点控制器功能描述2 0 3 1 2 网络节点控制器开发流程2 0 3 2 基于s o p c 的网络节点控制器硬件设计2 1 3 2 1 硬件开发工具及流程概述2 1 3 2 2 节点控制器硬件总体设计2 3 3 2 3d m x 5 1 2 信号口核设计。2 5 3 2 4 全彩l e d 控制i p 核设计3 5 3 2 5 基于s o p c 的系统搭建3 7 3 3 基于n i o s l i 的网络节点控制器软件设计4 6 目录 3 3 1 软件开发工具及流程概述4 6 3 3 2 节点控制器软件设计4 7 3 4 节点控制器软硬件下载与调试5 l 第4 章景观灯驱动与显示单元的设计与实现5 2 4 1 景观灯显示与驱动综述5 2 4 2 符合d m x 5 1 2 协议的灯具驱动与显示设计5 2 4 2 1 符合d m x 5 1 2 协议灯具的驱动单元一5 2 4 2 2 符合d m x 5 1 2 协议的灯具显示单元5 4 4 3l e d 全彩灯具及点光源驱动与显示设计5 5 4 3 1l e d 全彩灯具解码器的设计5 5 4 3 2l e d 全彩灯具与点光源的驱动单元6 0 4 3 - 3l e d 全彩灯具及点光源显示电路设计6 5 第5 章管理主机软件的设计与实现6 9 5 1 管理主机软件设计概述一6 9 5 2 上位机界面设计7 0 5 3 上位机控制功能与网络功能设计71 第6 章系统集成调试与分析7 5 6 1d m x 5 1 2 信号与p w m 全彩控制信号7 5 6 2 显示单元调试7 7 ；l 吉论8 1 参考文献8 3 致谢8 6 基于f p g a 的全彩景观灯控制系统的实现 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 1 1 1l e d 半导体照明 自1 8 7 9 年爱迪生发明了白炽灯以后，照明便成了人类生活中不可或缺的部分， 照明技术不断革新，汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、荧光灯等相继踏上历史舞 台【1 2 】。随着世界经济的飞速发展，人类对照明的要求已不仅仅是简单的亮化作用， 照明质量、视觉效果、便捷控制也成为人们选择照明灯具时的考虑因素，与此同 时，在当前全球能源危机的大环境下，节约能源的呼声也越来越高。 “l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 群l 发光二极管，是一种新型的固态半导体发光器 件”1 3 】。l e d 的内在特征决定了其众多优点：高亮度、体积小、低热量、多变幻、 寿命长、环保耐用、方便控制，这些优点恰恰满足了当代社会对照明产品的全部 要求。 世界各大发达国家围绕l e d 的研制和应用展开了激烈的技术竞赛【4 1 ，美国环 保局于1 9 9 1 年率先提出了绿色照明和有关计划，并于2 0 0 0 年起投资5 亿美元实 施“国家半导体照明计划”1 5 1 ，几年来取得了显著成效。随后欧盟启动了类似的“彩 虹计划 ，日本推出了“2 1 世纪光计划”，韩国出台了“g a n 半导体发光计划 ， 我国科技部在“8 6 3 计划的支持下，于2 0 0 6 年1 0 月启动了国家半导体照明工程 6 - 7 】，并在“十一五 能源规划中将绿色照明方针提上日程【8 1 。在政府的大力支持 和推动下，l e d 照明技术取得了长足发展，l e d 开始逐渐取代传统的白炽灯、荧 光灯、霓虹灯，被广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、汽车车灯、普通 照明和景观照明等领域【9 1 。 在景观照明领域，l e d 的优点主要体现在如下几个方面： ( 1 ) 功耗低：单只l e d 的功耗一般只有0 0 3 0 0 6 w ，适宜于耗电量巨大的 景观照明系统。 ( 2 ) 寿命长：“l e d 光源的寿命是白炽灯的1 0 0 倍，荧光灯的2 0 - 3 0 倍 【i o 】， 免去了景观照明系统的频繁维修之苦。 第1 章绪论 ( 3 ) 体积小：l e d 的光源结构轻质，体积小巧，适宜外景照明中不同几何尺 寸和不同空间大小的布局要求。 ( 4 ) 坚固耐用：l e d 属于固体光源，环氧树脂的封装使其耐冲击，耐震动， 不易破损，灯具强度和刚度比其它电光源要好。 ( 5 ) 控制性能好：l e d 属于低压微电子产品，可控性好，可反复频繁亮灭， 响应时间快。 ( 6 ) 色彩丰富：利用红、绿、蓝三基色原理，通过计算机的控制使三基色具 有2 5 6 级灰度并任意混合，可使l e d 产生2 5 6 3 = 1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色，能够真正实现 、 全彩的控制效果。 l e d 在用电量巨大、情况复杂多变的景观照明市场中的优势无可比拟，必然 在不久的将来取代传统景观照明灯具。 1 l - 1 2 】 1 1 2l e d 景观照明的研究意义 l e d 景观照明是集照明、控制和艺术于一体的“高新尖 工程。我国的l e d 产业起步于2 0 世纪7 0 年代，经过3 0 多年的发展，照明应用取得了长足的发展【1 3 】。 景观照明产业在2 0 0 5 年市场规模超过7 亿元，2 0 0 7 年达到7 2 的高增长率，成为 世界上景观照明应用产品的最大的生产和出口国【1 4 】。2 0 0 8 年北京奥运会、2 0 1 0 年 上海世博会以及广州亚运会中l e d 的全面集中展示让人们对l e d 景观照明有了全 新的认识，也有力地带动了中国l e d 景观照明产业的发展。l e d 照明孕育着无限 商机，研究l e d 景观照明系统具有多方面的意义： ( 1 ) 节约能源，保护环境： 我国是仅次于美国的第二发电大国【1 5 】，照明用电占我国总发电量的1 5 左右， 在我国“经济用电中仅次于电动机占居第二位，且以低效的照明光源为主 1 4 1 。 景观照明是公共照明体系的重要组成部分。据统计2 0 1 0 年l e d 节约电力总量达 2 2 万亿千瓦时，如果户外照明全用l e d 取代，每年可节约电力1 3 1 万亿千瓦时【1 6 】。 景观照明用l e d 属冷光源，工作时无电磁干扰和频闪，无红外、紫外辐射， 无汞蒸汽等污染物，符合欧盟关于未来灯具的生产标准，此外由于节能降耗而大 量减少了火力发电所产生的c 0 2 、s 0 2 和粉尘的排放型1 7 】。 基于f p g a 的全彩景观灯控制系统的实现 ( 2 ) 提高照明质量，美化城市生活： l e d 景观照明使城市的黑夜变得五彩斑斓，通过恰到好处的光线强弱布置与 构造得当的环境空间布置可以营造健康舒适的生活和工作环境，给人带来美的享 受，并可以宣传城市文化，增加城市魅力。 ( 3 ) 提高核心竞争力，形成产业标准： 虽然国内l e d 照明技术自绿色照明工程提出后经历了长足发展，但仍旧与国 外发达国家有着较大差距。总体来说，国内半导体产业大而不强，l e d 产业的研 究主要集中在一些中小型企业，技术水平参差不齐。在这个比较新的领域，目前 许多技术尚不成熟，如景观照明系统中灯具的封装与散热、灯光传输协议标准的 制定和规范、l e d 专用驱动电源的设计等仍有较大发展空间。把握历史机遇，加 大研究核心技术的力度，可能突破核心技术专利，形成自主知识产权。 ( 4 ) 扩展国际市场，带动其它产业发展： 我国是照明电器的生产、出口大国，大力发展高新技术的l e d 应用对于领先 占领国际市场有着重要意义。在产业链布局上，上游l e d 芯片及其芯片外延产业 占有整个产业7 0 的利润1 8 】，而国内在中上游产业方面研发能力比较落后。在政 府的大力支持下，通过景观照明应用的快速发展必然能带动相关产业包括l e d 外 延片的生产、l e d 芯片的制备、l e d 芯片的封装等产业的快速发展。 1 2 国内外研究现状 目前市场上的景观灯控制系统多采用单片机或a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ) 进行控制，近几年由于s o p c ( s y s t e m o n - a - p r o g r a m m a b l e c h i p ) 技术 的引进，国内少数企业和高校开始采用f p g a ( f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 进 行景观灯控制系统的研究和设计【1 9 1 。 单片机工作频率低，常用的5 1 单片机工作频率只有1 2 m h z ，决定了其控制 系统速度有限。景观灯在实现渐变的效果时其输入控制信号p w m 的周期必须在 2 m s 之内，人眼才能看不出跳变【1 9 1 ，早期低端的单片机无法在这个时间内实现控 制，因此由其控制的景观灯没有渐变的效果，闪烁的频率也较低，现在比较高端 第1 章绪论 的单片机虽然能满足上述要求，但由于硬件p w m 口有限，软件的处理速度慢，导 致不能够控制多盏灯的全彩色变化效果，一般灯的颜色变化只有7 种，灯的变化 方式单一。此外单片机的低处理速度和有限的存储空间也难以实现t c p i p 协议栈 的运行。 a r m 系列嵌入式控制器目前占据市场主流，其优点是性能高、成本低、能耗 少。然而a r m 在控制景观照明系统中也显现出其不足之处，a r m 的硬件p w m 一般只有3 , - 一6 路，无法满足景观照明系统中大量的l e d 链路控制，通过软件方 法可以扩充p w m ，却也同时大大降低了控制器的速度处理性能，难以满足数据高 速传输的要求。 s o p c 技术即“可编程片上系统技术 最早是由美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年提 出的【2 0 】。可编程的片上系统，或者说是基于大规模f p g a 的单片系统是一种特殊 的嵌入式系统，具有设计方式灵活、可扩充、可裁减、可升级、软硬件在系统可 编程的优点。s o p c 是p l d ( p r o g r a m a b l el o 西cd e v i c e ) 和a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c 1 1 1 t e 刚e dc i r c u i t ) 技术融合的结果【2 ，集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、 外围i o 及可编程逻辑的s o p c 芯片在应用的灵活性和价格上都有极大的优势，被 称为“半导体产业的未来【2 2 1 。f p g a 工作效率高、可在系统编程、内部有丰富的 触发引脚和i o 引脚、开发周期短，采用将c p u 软核嵌入到f p g a 的s o p c 思想， 完全能够实现景观灯的全彩色情景变化控制效果。 国内基于s o p c 技术的应用尚属起步阶段，但其优越的性能已经显现出来， 将s o p c 技术应用到景观灯控制系统中的尝试近年来逐渐引起人们的关注。正是 在这样的背景下，本系统的研究工作选取了a l t c r a 公司的c y c l o n e l i 系列f p g a 来 实现景观灯控制器。 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 课题的来源 在“国家半导体照明工程 的推动下，目前国内已形成了以上海、大连、南 昌、厦门和深圳等地为主的国家半导体照明工程产业化基地，为中国l e d 产业的 基y - f p g a 的全彩景观灯控制系统的实现 发展做出了重要贡献【2 3 】。达明科技有限公司坐落于大连市高新园区，致力于l e d 路灯、景观照明产品、l e d 显示屏及控制系统的研究与开发，在与该公司合作的 基础上，以设计一套先进的、多动态、高速度、可远控的大型全彩景观灯控制系 统为目的而提出了本课题。 1 3 2 课题的研究内容 本课题是针对城市夜景照明、建筑景观照明、室内装饰照明等市场应用而设 计的一个基于f p g a 和嵌入式实时操作系统的l e d 景观灯照明控制系统。研究目 标是通过上位机在线控制、存储在f l a s h 中脱机控制或者通过读s d 卡中已存储 灯光效果数据等方式，发送控制数据给灯光控制器，灯光控制器产生d m x 5 1 2 信 号和全彩l e d 控制信号，驱动单元接收自己地址对应的控制信号发送给l e d 链路， 实现具有实时控制、脱机控制、可扩展、可定制的多变幻大型全彩l e d 控制效果。 课题致力于以下几个方面的研究： ( 1 ) 提高系统的实用性：针对控制对象和研究目标，结合目前市场上的各种 控制器研究现状，选取合适的控制方案。分析比较常用的景观灯控制协议与网络 传输协议，确定相应的控制协议和方案。 ( 2 ) 基于s o p c 的硬件设计：基于f p g a 的景观灯控制器是本系统的核心， 配置处理器和外围芯片及外围设备与处理器之间的硬件连接以构建n i o s l i 系统。 ( 3 ) 基于u c o s i i 操作系统的软件设计：在f p g a 中构建好系统硬件后，具 体的应用则是软件部分来实现。软件设计包括硬件接口驱动程序设计、任务函数 及调度程序设计、网络通信程序设计，设计过程中要考虑代码优化，任务间的同 步和通信问题。 ( 4 ) l e d 驱动单元与显示单元设计：设计全彩l e d 灯具解码器，分析比较 市场上不同l e d 驱动电源的优劣，结合线性电源与p w m 信号控制开关管的方式 设计全彩l e d 的驱动电路，设计中要考虑不同的l e d 灯具工作电压不同的问题。 ( 5 ) 系统管理软件的设计：编写上位机软件，采用面对对象的方法，建立控 制对象模型，实现控制数据的编写，控制效果的模拟及数据下载。 第2 章系统概述和总体设计方案分析 第2 章系统概述和总体设计方案分析 2 1l e d 景观灯$ - v n 系统功能特点分析 l e d 景观照明系统不同于普通照明系统，其旨在达到艺术的照明效果。l e d 景观照明系统具有规模大、速度快、多变幻、距离远等多种特点，控制系统可以 在一定程度上参考普通照明的解决方案，选择合适的控制策略与控制方案以满足 l e d 景观照明的各种要求。 ( 1 ) 景观灯照明系统应用场合复杂多变，灯具多种多样。如酒吧、舞台、商 场、展厅、水池、建筑物等多种场合可能需要不同的l e d 光源来装饰，市场上有 电光源、轮廓灯、彩虹管、投光灯、洗墙灯、水底灯等多种多样的l e d 光源可供 选择。 ( 2 ) 景观灯照明系统规模庞大，一个护栏灯在1 0 0 米内就需要达到4 0 0 个发 光点，2 0 0 8 年北京奥运会中仅水立方一个项目就用到1 4 7 万粒大功率l e d 光源【2 4 1 。 对应如此庞大的l e d 发光点，控制效果数据量必然也是巨大的，如何建立一个有 机的系统，设置大量的l e d 控制数据序列，是本设计首先要考虑的问题。 ( 3 ) 景观照明系统控制效果要具有实时性及远程可控性，对于复杂的照明系 统，要求控制命令能够快速且定点传输，也即网络化功能，控制系统只有与网络 结合起来才能真正实现景观灯系统的规模化。 ( 4 ) 控制效果要可编辑可仿真，景观照明控制系统需要配套的仿真软件，以 实现对各链路照明效果的编辑及仿真，其控制效果数据能以一定形式存放和再次 调用及再次编辑。 2 2 控制系统总体设计方案 2 2 1 控制系统架构分析比较 目前国内的景观照明控制系统主要有集中管理集中控制、分散管理独立控制、 分层结构网络控制等几种控制模式【1 5 】。 1 ) 集中管理集中控制模式 基于f p g a 的全彩景观灯控制系统的实现 将所有的放光点集中由一个控制芯片控制，控制台由p c 机担任，p c 机为每 个发光点分配三个基地址，通过向三个地址写控制数据来控制各个发光点的颜色 及灰度达到整体控制效果。实际应用中会采用p c i 扩展槽扩展p c 机地址至控制芯 片，由控制芯片译码并驱动l e d 发光。控制模式如图2 1 所示。 链路1镌终2 链跏 图2 1 集中管理集中控制模式图 f i g 2 1c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dc e n t r a l i z e dc o n t r o lp a t t e r n 此种方案的特点如下： 优点： ( 1 ) 结构简单、方便易实现：总体控制系统只需主控p c 机、控制芯片及l e d 显示链路几部分。控制芯片从低端的单片机到高端的f p g a 都可以选择，可以很 容易的实现地址分配及数据操作。 ( 2 ) 文件系统简单，便于集中管理：控制目标针对景观系统中各个发光点， 忽略景观灯的外形结构、灯间布局等因素，构建控制效果文件时只需对各个目标 点设置三色值。p c 机集中管理各个发光点的接口，很容易实现协调控制。 缺点： ( 1 ) 实际的景观灯系统中发光点数量庞大，如市场上用于室内装饰照明的灯 带每米就有3 0 - 6 0 个发光点，一个小型的景观灯也会达到上百个甚至上千个发光 点，而每个发光点都需要三根控制线，势必造成电缆数量惊人的现象。此外，发 光点的排列可能很紧密，也可能很分散甚至达到上百米。无论从发光点的数量还 第2 章系统概述和总体设计方案分析 是距离出发，此种控制方案有严重的局限性，只适用于微型的、结构简单、布局 恰当的景观系统。 ( 2 ) 控制芯片对各个像素点的三色进行单独控制，随着像素点数量的增多， 控制器的任务就越来越重，选取高性能的控制芯片又势必增加系统成本。 2 ) 分散管理独立控制模式 每个l e d 灯内置有低端单片机或者其它专用控制芯片。比较低端的灯具不带 控制线，内置的控制芯片已存储有控制效果，如市场上比较常见的七彩快闪、七 彩循环、双闪等l e d ，靠上电或a c 过零点同步【2 3 1 。高端的灯具内置的单片机带 有通讯接口，与控制器通过一定的协议，如i i c 、s p i 、r s 4 8 5 协议传递l e d 控制 信号【2 5 1 。主控计算机将编排好的控制效果数据通过控制线发送给单片机，单片机 通过三个输出端口直接驱动l e d 发光点。典型的分散管理独立控制模式如图2 2 所示。 涟路1涟臻2链舔n 图2 2 分散管理独立控制模式图 f i g 2 2d e c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n di n d e p e n d e n tc o n t r o lp a t t e r n 此种方案的特点如下： 优点： ( 1 ) 结构比较简单，可扩展性强：控制系统由p c 机、通信管理单元及单片 机组成，每个单片机都设有唯一的地址，p c 机负责协调控制各单片机的输出，结 基y - f p g a 的全彩景观灯控制系统的实现 构相对比较简单。发光点的三色发光芯片由单片机输出的p w m 信号直接驱动，发 光点不同的灯具可以选择不同功能的单片机来控制，灯具数量的增加只需增加相 应配套的单片机即可，对于灯具的排布也没有任何要求。 ( 2 ) 分层控制，独立性强：p c 机与单片机完成效果数据的管理和通信，具 体链路完成控制命令与数据的接收及控制实现过程，设计思路清晰。底层各链路 相互独立，一路损坏不影响其它链路显示效果。 ( 3 ) 施工方便，可靠性强：采用串行通信大大简化了施工安装，增强了系统 可靠性。 缺点： 局限性：不带接口的灯具只能按照已存储的效果模式变化，变化模式单一， 不能实现全自动的智能控制，不利于构建系统。带接口的灯具由于每个灯具都配 置单片机控制，成本较高，且随着系统规模的增大，控制系统的复杂性也不断提 高，此外该种模式传输距离有限，决定了此种方案在大规模景观系统中的局限性。 3 ) 分层结构网络控制 分层结构网络控制采用基于t c p i p 协议的网络传输控制构建大型复杂网络， 采用基于d m x 5 1 2 ：a c n ( a d v a n c e dc o n t r o ln e t w o r k ) 、a r t - n e t 等灯光控制协议 构建网络节点控制器对灯具的智能控制链，底层完成灯光信号解码及l e d 驱动。 网络节点控制器是整个控制系统的核心，建立起网络与具体灯具控制的桥梁。图 2 3 是一个典型的分层结构网络控制模式示意图。 此种方案的特点： 优点： ( 1 ) 结构清晰，易于构建大规模系统。 ( 2 ) 分层设计，抗干扰性强。 ( 3 ) 融入以太网，更加智能化、自动化，在大型的景观系统中有着绝对的优 势。 缺点：比较复杂，构建起来困难。 第2 章系统概述和总体设计方案分析 图2 3 分层结构网络控制模式 f i g 2 3l a y e r e ds t r u c t u r ea n dn e t w o r kc o n t r o lp a t t e r n 2 2 2 控制系统架构的确定 考虑景观照明系统的复杂与多变性，结合对以上三种控制模式的优缺点分析， 本课题选取以分层结构网络控制为主控制模式，并吸收前两种控制模式的优点， 加入针对全彩发光点的控制环节，构建一个基于t c p i p 协议的大型、实用的景观 灯控制系统。 i系统效果管理层 i 量 t 洲嘞鼋 l 随终节点控制器 j 灯光控制切 l l ed 糍动与 l显示单菇 图2 4 系统总体结构示意图 f i g 2 4w h o l es y s t e ms t r u c t u r e 基于f p g a 的全彩景观灯控制系统的实现 控制系统实体单元分为三层： ( 1 ) 控制管理主机：主要完成配置网络节点控制器，编辑灯光实时控制效果 数据，对灯光控制效果实时模拟仿真，发送控制命令及控制数据。 ( 2 ) 网络节点控制器：完成与控制管理主机的通信连接，接收来自上位机的 控制命令和数据，对数据进行转换，产生符合一定协议的灯光控制信号，根据相 应的命令控制特定地址的灯具。此外，在具有网络控制功能的同时，应具有现场 可操作能力，能配置灯具链路信息，向指定灯具或发光点发出控制效果命令。 ( 3 ) l e d 驱动与显示：显示单元由三部分组成：含有解码芯片的灯具、不含 解码芯片的灯具、发光点或称点光源。针对不同的显示单元设计不同的驱动电路， 含解码芯片的灯具和点光源要完成网络节点控制器输出的控制信号到灯具控制信 号输入之间的转换与隔离，不含解码芯片的灯具在软硬件上要实现解码和驱动两 个功能。 。 控制管理主机与网络节点控制器之间通过以太网传输数据，速度快、带宽高， 能够满足实际应用中巨量灯具或点光源的需要。网络节点控制器与灯具之间通过 标准调光协议控制，对信号线路要求低，实用性强。传输介质采用c a t 一5 e 双绞线， 在长距离信号传输中抗干扰性能好。 2 3 网络节点控制器的软硬件选择 在控制方案确定之后，本节针对控制系统的核心部分一网络节点控制器中应 用到的关键技术和方案进行分析比较并做出选择。 2 3 1 灯光控制协议的选择 “现代意义的灯光网络是从传统的舞台灯光控制系统发展而来的：1 9 8 6 年美 国影视剧场技术协会( u s i t t ) 的工程委员会开始制定控制灯光设备和附件的数字 式传输标准d m x 5 1 2 协议，并于1 9 9 0 年发布正式版本” 2 6 1 。在调光网络中应用 较多的a c n 协议和a r t - n e t 协议也都由此发展而来f 2 7 1 。在主流协议大行其道的同 时，涉足工用和民用的建筑物照明领域也竞相出现一些不同的控制协议，如澳大 利亚c l i p s a l 的c b u s 协议，美国路创公司的l u t r o n 控制协议【2 8 】，面对智能家 第2 章系统概述和总体设计方案分析 居的x 1 0 协议和e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 协议等1 2 9 。各种协议都有其一定 的应用领域并占据一定的市场。在灯光控制网络协议正趋于