基于FPGA的智能照明控制系统的设计与分析

林柏林

(湖北第二师范学院机电系,湖北 武汉 430205)

0 引言

随着经济的发展和科技的进步,人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求,照明控制在智能化领域的地位越来越重要.

现场可编程门阵列[1](FPGA,field programmable gate array)器件随着超大规模集成电路(VISI)技术和计算机辅助设计(CAD)技术发展而出现.FPGA器件具有集成度高、体积小的特点,用户可通过编程实现专有功能.FPGA设计者充分使用计算机的开发平台,大大缩短系统的研制周期,减少资金投入.更为重要的是采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,从而降低了功耗,提高了可靠性,同时还可以很方便地对设计进行在线修改.随着FPGA在结构、密度、功能、速度和灵活性方面的提高,性能将进一步完善,成本将逐渐下降,将在电子线路设计中发挥更为重要的作用.

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1 设计思想与总体方案

1.1主控制器方案论证目前使用的控制芯片中主要是FPGA和单片机[2]两种,FPGA的优势在于速度快、系统资源丰富、应用灵活等.在内部结构中,FPGA集成锁相环可把外部时钟倍频,核心频率可以到几百兆,而单片机运行速度则低得多.所以,对于输出信号频率要求较高的场合,单片机无法代替FPGA.且单片机I/O口有限,而FPGA具有数百I/O引脚,可以方便连接外设.在程序运行中,单片机是串行执行的,遇到突发事件时只能调用有限的中断资源,而FPGA是内部程序并行运行,FPGA不同逻辑可并行执行,同时处理不同任务.两者比较,FPGA效率更高.本系统中的设计硬件主控制器选用FPGA作为智能照明控制系统的核心控制芯片.

图1 系统框架图

键盘输入模块中,通过键盘控制系统的功能切换和照明灯具的调光或开关.在传感器模块中,系统可以通过检测声音、光强来控制LED的亮和灭.这些功能的实现首先由FPGA控制器产生可调的PWM信号调节LED的功率,达到调光效果,而PWM信号需要通过大功率LED驱动电路的放大才能使LED灯具实现正常照明.图1是系统的框架图.

1.2照明灯具的选择本系统主要的用途是提供照明,所以选择发光的照明灯具十分重要.照明灯具既要求节能环保,又能提供优质的灯光[3].通过查阅相关资料,目前市场上使用最广的几种照明灯的对比如表1所示.

表1 常用50 000 h相同光通量灯具数据对比

由表1明显看出3种照明灯具的优缺点,因此选择LED日光灯作为智能照明系统的照明灯具.

2 系统的功能模块设计

2.1FPGA的PWM输出模块脉冲宽度调制PWM(Pulse-Width Modulating)[4],即调节脉冲的占空比.当输出的脉冲频率一定时,输出脉冲的占空比越大,相当于输出的有效电平越大,简单地实现了由FPGA控制模拟量.PWM调光使负载LED时亮时暗,当亮暗的频率超过100 Hz,人眼对亮度闪烁不够敏感,人眼看到的就是平均亮度.

PWM原理是以一固定直流电压经过以一定频率打开、闭合开关K,控制改变LED上的电压,进而改变LED的亮度.

图2 单路PWM原理图

PWM波形通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成,其占空比与信号的瞬时采样值成比例.图2是实现单路PWM硬件结构框图.CPU通过数据线向FPGA写入定时常数,控制PWM的频率、初始相位和占空比,并通过外部启动信号控制PWM的启动.

由于FPGA输出的PWM信号不能直接驱动LED,所以一般采用驱动电路来驱动LED指示灯[5].

2.2FPGA的无线遥控模块电气装置的遥控器发射频率为38 kHz的间歇红外线[6],需要一个脉冲调制信号.对于待发射的码序列中的‘1’信号,脉冲调制信号的脉宽为4个时钟周期,占空比为1/8;对于‘0’信号,脉冲调制信号的脉宽为2个时钟周期,占空比为1/4.遥控装置上共有1～10的十个数字按纽,每按一个按钮将产生一个该数字的四位二进制数调制序列输出.这里比特1调制为10 000 000,比特0调制为1 000,其中调制码中的1和0均各占半个时钟周期.为了便于译码,空闲时发送的全是1.实现了唯一译码,不会给解码端带来困扰.

2.3FPGA的传感器检测模块传感器检测是应用不同功能的传感器[7]检测被测对象的状态,并且对检测的信息处理,再传输给处理器进行处理.在智能照明系统中的传感器应用主要有声音的检测,光强的检测,人体热能的检测.

声控电路由拾音电路,两级放大电路和迟滞比较器构成.拾音电路中的信息采集器为驻极体话筒,驻极体话筒属于电容式话筒,声电转换的关键元件是驻极体振动膜.当声波输入时,驻极体膜片随声波的强弱而振动,使电容极板间的距离发生变化,引起电容量C发生变化,因为驻极体两侧的电荷未变,因此电容两端的电压(UC=Q/C)发生变化,从而实现了声电转换.由于振动引起的输出电压的变化量较小,所以需要在电容的后面加一个效应管进行放大,提高话筒的灵敏度,同时场效应管还可以与音频放大器匹配.驻极体话筒的外形和内部结构如图3所示.

如图4所示为拾音电路,主要功能是用压片陶瓷检测声音的振动,输出电压信号.

图3 驻极体话筒的外形与内部结构

图4 拾音电路

拾音电路由小型麦克和限流电阻[8]组成,5V电源提供驱动电流,两级放大电路由两级共射单管放大组成,前级是NPN管,后级是PNP管.

声控电路的过程是:由拾音电路将声音转换成微弱的电压信号,微弱的电压信号经过两级放大成伏级的电压,电压通过迟滞比较器转变成FPGA能识别的方波信号,经过双向稳压管变成方波,然后传给FPGA进行处理.声控电路如图5所示.

照明系统中检测光强,根据光的强弱控制照明灯具的亮度从而达到智能和节能的效果.本文中利用光敏电阻的感光性完成对光强的检测,通过光强变化时光敏电阻的阻值发生的变化产生的电压的变化.照明系统由光敏电阻,滑动变阻器,电阻,NPN三极管及运算放大器LM358组成.

2.4FPGA的键盘输入模块键盘是系统的主要的输入部分,键盘输入具有控制LED灯具的开光状态,调节明亮程度,设定修改数据等功能.本设计系统的命令输入模块是键盘电路和时钟电路[9],通过以按键的方式向FPGA控制系统表达人的命令,实现人机互换.

键盘电路有两种类型,其中一种是独立式键盘电路.独立式键盘电路结构简单、操作方便,目前应用非常普遍.但这种键盘电路的每个按键都要占用一根I/O口线,随着按键的增加将使I/O口线不足.另一种键盘电路是矩阵式键盘电路,电路的按键设置在行线和列线的交叉点上,因此在有限的I/O口线上可以设置比较多的按键.但这种键盘电路结构、编程都比较复杂.如图6所示,本系统中采用8键独立式键盘电路与一个与非门电路构成带中断的键盘电路,电路上的每个按键均可以单独工作,且响应时间快.

2.5大功率LED驱动电路驱动单颗LED或一长串串联的LED[10],对小电流等级比如20 mA的LED比较容易,但对电流等级高达350 mA、700 mA、1 A或者更高的LED,驱动起来有困难.当然,若对功率消耗没有限制,可以采用简单的现行驱动电源的形式,若对电流的控制要求不高,采用直接串联电阻的方法也是可行的.然而,在大多数场合,使用的还是高效的开关驱动电源.当LED灯串的导通电压高于供电电压时,或当供电电压大范围变动时,必须使用开关驱动电源.

图5 声控电路

图6 8键独立式键盘电路

2.6电源电路在各种电子设备中,直流稳压电源是必不可少的组成部分,它是电子设备唯一的能量来源.本设计中有两种电源接口,一路采用220 V的变压器直接供电,经过整流滤波最后得到5 V电压给电路供电使用;一路采用USB接口从电脑上供电.工作时,采用其中的一种电路供电即可.电源电路的具体电路图如图7所示.

3 仿真与实现

3.1FPGA的PWM输出模块仿真设置产生的PWM信号的占空比分为16级可调,完成程序后通过Quartus Ⅱ的时序仿真得到仿真波形,如图8所示.

仿真结果分析表明:PWM信号输出信号可以实现从0至15的16个不同级别的占空比可调.最高可达到100%,因此成功实现了PWM信号的输出.

图7 电源电路

图8 PWM信号波形

3.2FPGA的无线遥控模块仿真仿真时依次输入1至10,并在一个有效信号输入后,于一个时钟后置成非有效信号.此处设置非有效信号是:10′b11_1111_1110,也可以是别的值.仿真结果如图9所示.

图9 调制信号解码的时序仿真图

3.3FPGA的传感器检测模块仿真运用proteus的电路仿真功能,对声控电路进行仿真,拾音电路的输出使用正弦波代替,得到的仿真波形如图10所示.

由声控电路的输出仿真可以看出,通过拾音电路得到的正弦波信号经过两级放大成伏级的电压,电压通过迟滞比较器转变成数字信号中的方波信号,因此声控电路的功能成功完成.

3.4FPGA的键盘输入模块仿真设计8键独立式键盘操作便捷,功能齐全,且能够完成对照明系统的控制,8键独立式键盘的按键信息读取的时序仿真如图11所示.

图10 声控电路的输出仿真

图11 8键独立式键盘的按键信息读取

仿真结果分析表明:由于键盘电路的设计,按键时键盘电路送入的是低电平,所以通过仿真时序图显示的输入和输出是相反的电平输出,因此能够正确读取8个按键的信息.

4 结束语

基于FPGA作为控制系统的核心控制芯片,升级改造节能照明智能控制系统,实现从简单控制的粗放式管理向回路调压、单灯控制的精细化管理转换,可以实时监控和管理各种照明系统,使之高效稳定安全运行,有效减少电能消耗.经过对系统级的仿真分析,本系统达到了较好的效果,其运行稳定,定位准确,达到了照明灯具节能和科学管理的要求.

[1] 段吉海.基于CPLD/FPGA的数字通信系统建模与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

[2] 邹彦,庄严.EDA技术与数字系统设计[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3] 周志敏,纪爱华.LED照明技术与工程应用[M].北京:中国电力出版社,2009.

[4] 李建林.基于现场可编程门阵列的多路PWM波形发生器[J].电子工程师,2002,28(4):9-10.

[5] 康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2005.

[6] 方宏.自学习红外遥控器的设计与实现[J].测控技术与设备,2003,(4):32-34.

[7] 何勇.光电传感器及其应用[M].北京:化学工业出版社,2006.

[8] 邱关源,罗先觉.电路[M].北京:高等教育出版社,2006.

[9] 戴伏生.基础电子电路设计与实践[M].北京:国防工业出版社,2002.

[10] 何占伟,赵智霞.大功率LED照明横流驱动的设计[EB/OL].http://www.2lic.com.