甘康 蔡錦達(dá) 鄒億 劉倩

摘要：為滿足光源亮度和準(zhǔn)確度的要求，設(shè)計(jì)了一種能夠調(diào)節(jié)光源亮度和色溫的LED驅(qū)動電路，提出了一種基于ARM和FPGA的雙芯片控制的LED驅(qū)動電路。采用ARM Cortex M3內(nèi)核的LPC1517作為主控芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和處理，保證整體系統(tǒng)高速穩(wěn)定運(yùn)行；FPGA芯片EP1C3T144CN則負(fù)責(zé)輸出LED工作所需的PWM信號，使得LED光源能達(dá)到所需色溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的LED光源在亮度達(dá)到要求的前提下，實(shí)際色溫與實(shí)驗(yàn)設(shè)定色溫誤差在1%以內(nèi)，該LED光源發(fā)光性能良好，且體積較小、成本低，能應(yīng)用于較多工作場景。

關(guān)鍵詞： 精簡指令集機(jī)器（ARM）； 現(xiàn)場可編輯門陣列（FPGA）； 發(fā)光二極管（LED）； 標(biāo)準(zhǔn)光源； 脈寬調(diào)制（PWM）

中圖分類號： O 435 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.008

Abstract：In order to meet the requirements of brightness and light source accuracy，a LED light source drive circuit which can adjust brightness and color temperature is designed.This paper presents a design of the LED driver circuit based on ARM and FPGA dual chips，which uses LPC1517 with ARM Cortex M3 kernel as the main control chip，responsible for data storage and processing.To ensure the whole system operate in a high speed steadily，the FPGA chip EP1C3T144CN is responsible for outputting the PWM signal which is required during LED running，for a desired color temperature.Finally，the experimental results show that the error between the actual color temperature and the experiment setting color temperature is within 1% when the luminance of the LED light source meets the requirement.LED light source has good luminous performance and small volume.It can be used in the many scenes.

Keywords：advanced RISC machine（ARM）； field programmable gate array（FPGA）； light emitting diode（LED）； standard light source； pulse width modulation（PWM）

引 言

發(fā)光二極管（LED）具有節(jié)能、環(huán)保、亮度高、體積小、壽命長等特性，也因此被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色照明光源[1]。LED照明如今已深入到我們生活中的方方面面，廣泛應(yīng)用于日常照明、醫(yī)療衛(wèi)生、國防運(yùn)輸和

科學(xué)研究等方面[2]。由于LED發(fā)光亮度可以通過工作電壓或者電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時在較大工作電壓電流范圍內(nèi)，LED的發(fā)光亮度與工作電壓電流成線性關(guān)系[3]。因此，與傳統(tǒng)光源相比，LED光源更易于調(diào)光和智能控制，使得以LED為高精準(zhǔn)度的標(biāo)準(zhǔn)光源也更易實(shí)現(xiàn)[4]。

本文應(yīng)某手機(jī)攝像頭制造公司要求，設(shè)計(jì)了一種采用精簡指令集機(jī)器（ARM）和現(xiàn)場可編輯門陣列（FPGA）的LED驅(qū)動電路，采用PWM信號進(jìn)行調(diào)光，作為CMOS鏡頭的校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)光源[5 7]。根據(jù)要求，本標(biāo)準(zhǔn)光源輸出色溫應(yīng)能達(dá)到：A光源（2 856±50） K、D50光源（5 000±100） K、D65光源（6 500±150） K，其他色溫偏差低于3%，且發(fā)光穩(wěn)定，要求長時間工作時光源的色溫偏差低于1%，亮度偏差低于3%[8]。

普通LED光源電路一般使用一塊ARM芯片即可滿足發(fā)光要求，而由于標(biāo)準(zhǔn)光源對發(fā)光亮度和色溫精度要求較高，單用ARM芯片同時作為電路主控芯片和PWM信號芯片時，會出現(xiàn)PWM信號頻率分辨率較低、系統(tǒng)處理速度較慢等情況，因此特加入一組FPGA芯片提供調(diào)光所需PWM信號，而原ARM芯片則作為主控芯片，在滿足了光源亮度和色溫精準(zhǔn)可調(diào)的情況下，整體系統(tǒng)成本低且體積小，符合生產(chǎn)要求。

1 硬件系統(tǒng)組成

本文研制的光源控制系統(tǒng)核心板屬于自主開發(fā)設(shè)計(jì)，采用ARM加FPGA雙芯控制。ARM芯片采用NXP公司生產(chǎn)的LPC1517微控制器，LPC1517采用ARM Cortex M3內(nèi)核，具備256 KB的Flash存儲器，4 KB片內(nèi)EEPROM和36 KB片內(nèi)SRAM，其強(qiáng)大的性能確保整個控制系統(tǒng)能夠高速穩(wěn)定運(yùn)行。FPGA芯片采用Altera公司生產(chǎn)的EP1C3T144C8N芯片，EP1C3T144C8N具有靈活的時鐘管理功能，其配有一個鎖相環(huán)電路，可以提供輸入時鐘的1到32倍頻，可以穩(wěn)定地輸出任意頻率PWM波形，讓光源的調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)。ARM芯片為主控芯片，負(fù)責(zé)儲存和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，使整個系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，并迅速做出反應(yīng)，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)產(chǎn)生LED燈調(diào)光所需的PWM信號。由于采用分工合作的方式，使整個系統(tǒng)的運(yùn)行速度得到大幅提升。圖1為光源控制板硬件框圖。

1.1 主控電路

LPC1517主控電路可以分成LPC1517系統(tǒng)電路、電源電路、復(fù)位電路三個組成部分。

圖2為LPC1517芯片系統(tǒng)電路。最小系統(tǒng)電路中主要包含系統(tǒng)時鐘電路和電源輸入電路。為保證輸入電源的穩(wěn)定性，在輸入引腳和地之間并聯(lián)一組電容，目的是為了消除輸入電壓抖動對電路的影響。LPC1517芯片提供了兩組時鐘輸入形式：一種是在通過外部供電時，外接的12 MHz晶振可以為系統(tǒng)提供較高的頻率，讓芯片能夠快速運(yùn)行；另一種是在芯片使用電池供電時，外接的32.768 kHz晶振能夠?yàn)樾酒９ぷ魈峁?shí)時時鐘輸入。

硬件結(jié)構(gòu)中需要同時用到3.3 V和1.5 V兩種工作電壓，F(xiàn)PGA正常工作需要3.3 V和1.5 V兩種電壓同時輸入，其他芯片正常工作只需3.3 V的電壓即可。穩(wěn)定的電源輸入是調(diào)光系統(tǒng)不可缺少的部分，本文選用LM2576S 3.3電源芯片和MIC37101 1.5電源芯片分別作為本文兩種工作電壓下的供電芯片。兩種電源電路圖如圖3和4所示。

復(fù)位電路的作用是將電路的運(yùn)行狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)。對于一個優(yōu)良的電路來說，復(fù)位電路是不可缺少的組成部分。復(fù)位電路能夠讓芯片在程序跑飛和出錯時快速回到初始狀態(tài)，確保整個電路的穩(wěn)定運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的復(fù)位電路采用CAT811STBI芯片實(shí)現(xiàn)，CAT811STBI芯片是電源檢測微處理器，當(dāng)電源電壓低于預(yù)設(shè)的電壓閾值水平且持續(xù)140 ms以上時，CAT811STBI芯片就會產(chǎn)生一個復(fù)位信號，CAT811STBI芯片采用浮柵技術(shù)，可提供任何自定義的復(fù)位電壓閾值。

圖5為復(fù)位電路，在CAT811STBI的MR引腳接入一個RC復(fù)位電路，在主控芯片正常工作時，電容C71開始充電，當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到3.3 V時充電完畢，此時SYS_RST輸入為高電平。當(dāng)需要復(fù)位操作時，按下開關(guān)S1，SYS_RST與地直接相連，電容C71開始放電，放電完成之后，SYS_RST輸入為低電平，主控芯片接收到復(fù)位信號，并完成復(fù)位操作。

1.2 LED驅(qū)動電路

LED驅(qū)動電路采用獨(dú)立芯片多路控制的方法，LED燈珠驅(qū)動芯片采用TI公司專為驅(qū)動LED燈珠設(shè)計(jì)的TLC59282芯片，同時使用4片TLC59282來組合調(diào)光。每一片驅(qū)動芯片的BLANK引腳獨(dú)立連接到FPGA芯片的PWM輸出口，從而可以獨(dú)立地控制每一片驅(qū)動芯片的占空比。具體電路圖如圖6所示。

1.3 PWM控制電路

FPGA芯片采用Altera公司生產(chǎn)的EP1C3T144C8N芯片，EP1C3T144C8N芯片采用一個二維行列結(jié)構(gòu)體系，以實(shí)現(xiàn)自定義邏輯。不同的行列連接方式，為邏輯陣列單元和嵌入式存儲塊之間提供不同的連接信號。EP1C3T144C8N芯片器件提供了一個全局時鐘網(wǎng)絡(luò)和一個鎖相環(huán)。全局時鐘網(wǎng)絡(luò)由4路可以驅(qū)動整個模塊的時鐘組成，全局時鐘網(wǎng)絡(luò)可以為芯片的所有模塊提供所需的時鐘信號。全局時鐘線也可以用于控制信號，EP1C3T144C8N芯片的PLL提供了能夠倍頻和移相的通用時鐘以及支持高速差分I/O輸出的外部輸出口。EP1C3T144C8N芯片具有靈活的時鐘管理功能，其配有的鎖相環(huán)電路，可以提供輸入時鐘的1～32倍頻，最高可輸出200 MHz的PWM波形。具體的FPGA配置電路如圖7所示。

FPGA配置電路，搭載一片20 MHz的有源晶振，可以根據(jù)具體需要配置不同的PLL輸出。EP1C3T144C8N芯片與LPC1517之間通過4個I/O口直接相連，2塊芯片之間的通信采用SPI通信方式。PWM波形的輸出引腳選用4個高度I/O口，每一個I/O口分別指定TLC59282芯片的BLANK引腳，從而可以單獨(dú)控制每一片LED驅(qū)動芯片的I/O口的開關(guān)狀態(tài)。

1.4 串口通信電路

本文選用RS 232通信協(xié)議作為上位機(jī)和下位機(jī)的通信方式。光源控制系統(tǒng)串口通信設(shè)置為：波特率采用19 200波特、數(shù)據(jù)位采用8位、不使用校驗(yàn)位、停止位為1。RS 232串口通信的芯片采用MAXIM公司制造的MAX232芯片。MAX232采用16引腳TSSOP封裝，具有寬度窄厚度薄的特點(diǎn)，為電路板的設(shè)計(jì)節(jié)省布局空間。MAX232芯片輸入電壓支持3.0 V到5.5 V，串口通信頻率最高可支持1 Mbit/s。具體的串口通信電路圖如圖8所示。

2 控制程序設(shè)計(jì)

2.1 串口通信協(xié)議

控制系統(tǒng)的操作指令都是通過電腦端調(diào)光軟件來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際情況，電腦與下位機(jī)控制板的通信采用串口通信的方式完成，并使用RS 232串行接口。要想實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與光源控制板之間的串口通信，需要先按要求配置好主控芯片內(nèi)部的串口通信模塊。LPC1517芯片的串口配置分為如下幾個步驟：

（1） 通用異步收發(fā)傳輸器（UART）初始化

（2） 配置UART0中斷

（3） 配置UART0接收引腳和發(fā)送引腳

2.2 PWM程序設(shè)計(jì)

LED光源采用PWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)光，其工作原理是通過控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和閉合時間來控制器件的平均導(dǎo)通時間，從而得到我們需要的輸出值。其輸出波形為一系列的矩形波，這些矩形波的幅值相等。本光源控制系統(tǒng)采用3路PWM波形進(jìn)行調(diào)光，每一路的PWM波形獨(dú)立調(diào)節(jié)，具體的調(diào)節(jié)波形如圖9所示。圖中的3路PWM波形均由同一控制器產(chǎn)生，采用相同的時間周期，每一路PWM波形的占空比可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。在已知目標(biāo)光源的光照度和期望色溫情況下，我們由格拉斯曼顏色混合定律可以計(jì)算出每一路的占空比值，再根據(jù)占空比值就可以得到每一路PWM波形的導(dǎo)通時間T1、T2、T3的值?？刂菩酒侔聪鄳?yīng)的值輸出PWM控制波形，從而達(dá)到調(diào)節(jié)光源亮度和色溫的目的。

本光源控制系統(tǒng)的PWM波形由EP1C3T144C8N芯片產(chǎn)生，PWM波形輸出配置如下：

首先，配置EP1C3T144C8N芯片的系統(tǒng)時鐘，本光源控制系統(tǒng)采用高頻PWM控制技術(shù)，確保LED燈珠發(fā)光穩(wěn)定，不會產(chǎn)生光源的頻閃問題。PWM波形的輸出頻率在20 kHz以上，因此配置的inclk0輸入時鐘的頻率為20 MHz，最高工作頻率為260 MHz。

接著，配置PWM的計(jì)數(shù)總值，計(jì)數(shù)總值的大小與光源的調(diào)節(jié)精度有關(guān)，假設(shè)計(jì)數(shù)總值為100，則PWM的脈寬調(diào)節(jié)精度為1%，如果計(jì)數(shù)總值為1 000時，PWM的脈寬調(diào)節(jié)精度為0.1%，因此計(jì)數(shù)總值越大，對應(yīng)的PWM調(diào)節(jié)精度也會越高。為了保證光源的調(diào)節(jié)精度，本控制系統(tǒng)配置的計(jì)數(shù)總值為1 000。

最后，配置PWM波形的輸出引腳，本光源控制系統(tǒng)采用了4塊LED驅(qū)動芯片獨(dú)立控制，故使用了4路PWM波形輸出。

3 LED電路整體性能測試

LED燈珠采用統(tǒng)佳光電生產(chǎn)的貼片LED燈珠。選用CL 200A色彩照度計(jì)測量LED光源照度、色溫、色坐標(biāo)等光源色參數(shù)。為了滿足照明所需的亮度，我們采用多顆LED燈珠組合的方式來達(dá)到照明的照度要求。在LED燈珠的布局上采用4個高色溫白光LED和4個低色溫白光LED燈珠呈圓形均勻排列，紅綠藍(lán)光 LED燈珠位于圓形之內(nèi)，LED燈珠布局如圖10所示。光源的測試均在特制的不透光的鋁制光源卡座中進(jìn)行，測試環(huán)境如圖11所示。

雖然光源的色溫定義為與光源輻射顏色相同時的黑體溫度，但實(shí)際上光源光譜功率分布不可能與黑體完全一致，所以在討論光源的顏色時使用的是色溫的概念。在LED電路系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)中，使用三角垂足插值法和McCamy近似公式法來計(jì)算色品坐標(biāo)與色溫的關(guān)系（色溫低于4 000 K時，選用McCamy近似公式法，高于時選用三角垂足插值法）[9 10]。表1是相關(guān)色溫初始設(shè)定值與測量值的對照情況，從表1中可以看出，在實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的13種色溫下，LED光源色溫的初始設(shè)定值相對于目標(biāo)值而言，存在一定偏差，偏差范圍在1%以內(nèi)。表2是相關(guān)色溫微調(diào)之后的測量值與目標(biāo)值的對照情況，從表2中可以看出，經(jīng)過微調(diào)之后的測量值可以達(dá)到目標(biāo)值。

表3是開機(jī)10 min之后測試的相關(guān)色溫設(shè)定值和測量值的對照情況，表4是開機(jī)30 min后的對照情況。從表3和表4的數(shù)據(jù)可以看出，本光源在本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的色溫值下，發(fā)光效果良好，穩(wěn)定性好。

從上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值基本相符，但是兩者之間還存在一些誤差，產(chǎn)生的原因如下：

（1） 因?qū)嶒?yàn)儀器本身就存在一定的實(shí)驗(yàn)誤差，故在測量時，就會得出有一定偏差的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2） 本文計(jì)算色溫值時，采用的是三角垂足插值法和McCamy近似公式法。而三角垂足插值法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)時用日光代替黑體軌跡將產(chǎn)生一定的理論誤差，McCamy近似公式法雖然計(jì)算結(jié)果比較精確，也難免會出現(xiàn)一定的偏差。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM和FPGA雙芯片控制的LED驅(qū)動電路，其中ARM芯片LPC1517作為主控芯片，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲和處理，F(xiàn)PGA芯片EP1C3T144C8N負(fù)責(zé)輸出LED調(diào)光時需要的PWM信號。同時，為了滿足亮度和調(diào)光需求，電路采用了4路LED驅(qū)動芯片TLC59282進(jìn)行組合調(diào)光。本文設(shè)計(jì)的光源整體模塊體積較小，可應(yīng)用于大多數(shù)LED工作場合，使得本光源電路有一定的普遍適用性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建，葉仁廣，徐時清.LED應(yīng)用發(fā)展趨勢[J].科技風(fēng)，2014（17）：67 68.

[2] 張普雷，史永勝，史耀華，等.大功率背光源用LED驅(qū)動電路的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].液晶與顯示，2010，25（1）：68 74.

[3] 邾玢鑫，羅全明，汪洋，等.多路輸出高降壓恒流LED驅(qū)動電源[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（6）：178 183.

[4] 李楊帥.基于PWM的無級調(diào)光LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[5] 宋鵬程，文尚勝，尚俊，等.基于PWM的三基色LED的調(diào)光調(diào)色方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（2）：285 292.

[6] 徐祥柱，王會影，劉小龍，等.一種基于DC/DC變換器的LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2012，42（2）：173 176.

[7] 汪黎棟，茅振華，倪魏.基于Cortex M3的快速發(fā)光二極管光電參數(shù)測量系統(tǒng)[J].光學(xué) 精密工程，2014，22（4）：856 862.

[8] 王鐳.基于C51系列單片機(jī)LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[9] 蔡錦達(dá)，劉倩，鄒億，等.CMOS圖像傳感器校準(zhǔn)用可調(diào)光源[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2017（3）：304 313.

[10] 蔡錦達(dá)，鄒億，孫福佳.白光和紅綠藍(lán)光LED可調(diào)光源研制[J].光學(xué)技術(shù)，2017，43（2）：187 192.

（編輯：劉鐵英）